CN1512211A - 变焦透镜系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种实现了紧凑性及高变焦比的变焦透镜系统。变焦透镜系统包括四个透镜组，从物侧起依次是：具有正折射光焦度的第一透镜组，具有负折射光焦度的第二透镜组，具有正折射光焦度的第三透镜组和具有正折射光焦度的第四透镜组。当透镜组的位置状态从广角端态变到远摄端态时，至少第一透镜组移向物体，使得第一透镜组和第二透镜组之间的距离增大，第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小，并且第三透镜组和第四透镜组之间的距离改变。在第三透镜组的附近布置孔径光阑。所述系统满足给定的条件表达式。

Description

变焦透镜系统
技术领域
本发明涉及一种变焦透镜系统。
背景技术
已经知道有多种方法在相机中记录物体的图像，它们利用一种采用光电转换器如CCD(电荷耦合装置)和CMOS(互补型金属氧化物半导体)的成像装置。在根据所述方法记录物体的图像时，物体的图像通过光学系统如变焦透镜形成在成像装置上，并且图像的光量通过光电转换器转换成电输出储存在存储介质中。
随着近来在微器件制造方面的进步，CPU(中央处理单元)获得了更高的处理速度，并且存储介质的集成度变得更高。因此，可以快速地处理要处理的大量图像数据。而且成像装置也变得集成度更高而且小型化。成像装置的高集成度使得能够记录较高的空间频率。成像装置的小型化能够使得相机主体变得精巧。
但是，成像装置的高度集成及小型化缩窄了每个光电探测器的光探测区。因此，电输出的降落产生一些噪音。为了防止这些情况，使光学系统更快以增大到达成像装置的光量。而且在每个光电探测器的前面直接布置一个所谓的微透镜阵列的小透镜元件。
直接布置在光电探测器前面的微透镜阵列可以把落在相邻光电探测器之间的光导向光电探测器。但是，当光学系统的出瞳接近成像装置时，换言之，当入射到成像装置的主要光线与光轴之间的角度变大时，行进到图像周围的离轴光线具有较大的角度而不能到达成像装置，使得其造成光量的不足。因此，通过在光电探测器的前面直接布置微透镜阵列，可以把落在相邻光电探测器之间的光如上所述地导向光电探测器，但对于光学系统的出瞳位置不可避免地存在制约。
通过使用光电探测器的成像装置记录物体图像的数字静态相机有一个优点在于可以无需显影地很容易地确认拍摄图像和舒适地处理图像数据。另一方面，图像质量次于胶片相机的图像质量，并且必须将其连结到诸如个人电脑一类的仪器上以处理成像数据。因此，数字静态相机的普及没有很大的增长。由于近年来在成像质量上的改进和仪器的普及，数字静态相机正得到广泛地使用。
为了提高图像质量，除了成像装置的高度集成之外还必须提高光学系统的光学性能。而且光学系统变焦比的增大为摄影者的拍摄提供了更大的自由度并具有下列优点，当他们更接近物体时可以拍摄特写镜头，即使物体位置很接近、如室内情景时也可以拍摄较宽的区域。
日本待定专利申请JP2001-56436和2001-242379中提出了一种适于通过利用光电探测器的成像装置记录物体图像的相机的变焦透镜。该变焦透镜由这些组件组成，从物侧起依次是具有正折射光焦度的第一透镜组、具有负折射光焦度的第二透镜组、具有正折射光焦度的第三透镜组和具有正折射光焦度的第四透镜组。该变焦透镜是一个所谓的正-负-正-正四透镜组式变焦透镜。当透镜组的位置状态从广角端态变为远摄端态时，第一透镜组和第四透镜组固定不动，第二透镜组和第三透镜组移动。
日本待定专利申请JP2001-356269中提出了另一种变焦透镜。该变焦透镜也是正-负-正-正四透镜组式变焦透镜。当透镜组的位置状态从广角端态变为远摄端态时，第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组移动。
日本待定专利申请JP2001-188170中提出了另一种变焦透镜。该变焦透镜也是正-负-正-正四透镜组式变焦透镜。当透镜组的位置状态从广角端态变为远摄端态时，所有的透镜组都移动。
日本待定专利申请JP7-5361中提出了另一种变焦透镜。该变焦透镜也是正-负-正-正四透镜组式变焦透镜。当透镜组的位置状态从广角端态变为远摄端态时，第一透镜组和第三透镜组移向物体，第二透镜组移向图像，第四透镜组首先移向物体再移向图像。
日本待定专利申请JP57-5012中提出了另一种用作SLR相机的可互换透镜的变焦透镜。该变焦透镜也是正-负-正-正四透镜组式变焦透镜。当透镜组的位置状态从广角端态变为远摄端态时，第一透镜组和第三透镜组移向物体，第二透镜组首先移向图像再移向物体，并且第四透镜组首先移向物体再移向图像。
随着成像装置在高集成度方面的改进，需要光学系统相对于较高的空间频率实现高对比度。此时，因为每个光电转换器的光探测区变小，为了确保每个光电转换器有充足的光量，需要光学系统有较大的孔径比。结果造成透镜元件数增多并且光学系统变大的问题。
正变得流行的数字相机被广泛地使用。用户对数字相机提高便携性、尤其是紧凑及轻盈性方面的需求正变得越来越强烈。在这种时候还需要高的变焦比。
当光学系统做成高变焦比时体积变大。使光学系统成为高变焦比的趋势与使光学系统紧凑的的需求相矛盾。特别是，当将光学系统设计成高变焦比以及紧凑时，组成光学系统的每个透镜组的折射光焦度变大。因此，离轴象差的变化趋于产生相应的透镜组位置状态的变化或视角的变化，使得难以改进光学系统使其具有良好的光学性能。
当把日本待定专利申请JP2001-56436或JP2001-242379中公开的变焦透镜用于数字相机时，因为活动透镜组只有两个，所以每个透镜组的移动量变大，使得变焦透镜系统变大，从而阻碍了便携性的提高。
把日本待定专利申请JP2001-356269或JP2001-188170中公开的变焦透镜用于数字相机的情形中，因为在将透镜组的位置状态从广角端态变为远摄端态时第一透镜组首先移向图像并再移向物体，所以穿过第一透镜组的离轴光线趋于远离光轴。因此，要使透镜直径变小很困难。而且当把日本待定专利申请JP2001-356269中公开的变焦透镜应用到数字相机时，因为第三透镜组相当大，所以很难提高便携性。另外，当把日本待定专利申请JP2001-188170中公开的变焦透镜用于数字相机时，因为第三透镜组从物侧起由一个正透镜和一个由与负透镜胶合在一起的正透镜构成的胶合透镜组成，所以很难独立地校正在第三透镜组中产生的负球差，使得难以满足紧凑性和象差校正。
在日本待定专利申请JP7-5361公开的变焦透镜中，因为孔径光阑与透镜组独立地移动，所以除透镜组移动机构外还需要孔径移动机构，因此不适于紧凑性和轻盈性的要求。
在日本待定专利申请JP57-5012公开的变焦透镜中，广角端态时第三透镜组太接近第四透镜组。因此，要将出瞳的位置布置到合适的位置很难。
发明内容
鉴于前述问题制定了本发明，并且本发明的目的在于提供一种具有高变焦比和紧凑性的变焦透镜系统。
根据本发明的一个方面，变焦透镜系统包括四个透镜组，从物侧起依次是：具有正折射光焦度的第一透镜组，具有负折射光焦度的第二透镜组，具有正折射光焦度的第三透镜组和具有正折射光焦度的第四透镜组。当透镜组的位置状态从广角端态变到远摄端态时，至少第一透镜组和第三透镜组移向物体，使得第一透镜组和第二透镜组之间的距离增大，第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小，并且第三透镜组和第四透镜组之间的距离增大。在第三透镜组的附近布置孔径光阑。第二透镜组由三个透镜元件组成，从物侧起它们依次是具有面朝物侧的凹面的第一负透镜元件，具有面朝象侧的凹面的第二负透镜元件和具有面朝物侧的凸面的正透镜元件。满足下列条件表达式(1)：
3＜(R24+R25)/fw＜5       (1)
此处，R24表示第二透镜组中第二负透镜元件的象侧表面曲率半径，R25表示第二透镜组中正透镜元件的物侧表面曲率半径，fw表示广角端态中变焦透镜系统的焦距。
在本发明的一个优选实施例中，第一负透镜元件和第二负透镜元件布置成在它们之间有一空气间隔。第二负透镜元件和正透镜元件布置成在它们之间有一空气间隔。满足下列条件表达式(2)：
0.7＜∑2/fw＜2.1         (2)
此处，∑2表示第二透镜组中最靠物侧的透镜表面和最靠象侧的透镜表面之间沿光轴的距离。
在本发明的一个优选实施例中，第一负透镜元件具有面朝象侧的凹面的弯月形，并且优选满足下列条件表达式(3)：
0.5＜R22/fw＜2           (3)
此处R22表示第二透镜组中第一负透镜元件的象侧表面的曲率半径。
在本发明的一个优选实施例中，第三透镜组从物侧起由具有正折射光焦度的第一子透镜组和具有负折射光焦度的第二子透镜组组成。第一子透镜组和第二子透镜组布置成在它们之间有一个空气间隔。最好满足下列条件表达式(4)：
0.02＜D2/f3＜0.16       (4)
此处D2表示第三透镜组中第一子透镜组和第二子透镜组之间沿光轴的距离，并且f3表示第三透镜组的焦距。
在本发明的一个优选实施例中，第一透镜组由一个具有面朝物侧的凸面的负弯月透镜与具有面朝物侧的凸面的正透镜胶合构成的胶合正透镜组成。最好满足下列条件表达式(5)：
3＜R11/fw＜5             (5)
此处，R11表示第一透镜组中胶合正透镜的物侧表面的曲率半径。
在本发明的一个优选实施例中，至少满足下列条件表达式(6)和(7)中之一：
3＜f1/(fw·ft)1/2＜7.5        (6)
0.6＜|f2|/(fw·ft)1/2＜1.1    (7)
此处f1表示第一透镜组的焦距，f2表示第二透镜组的焦距，ft表示远摄端态中变焦透镜系统的焦距。
在本发明的一个优选实施例中，第三透镜组从物侧起包括一个具有正折射光焦度的位于最物侧的第一子透镜组和与第一子透镜组相邻的具有负折射光焦度的第二子透镜组。第一子透镜组和第二子透镜组之间有一空气间隔。最好满足下列条件表达式(4)：
0.02＜D2/f3＜0.16             (4)
此处D2表示第三透镜组中第一子透镜组和第二子透镜组之间沿光轴的距离，f3表示第三透镜组的焦距。
根据本发明的另一方面，变焦透镜系统包括四个透镜组，从物侧起它们是：具有正折射光焦度的第一透镜组，具有负折射光焦度的第二透镜组，具有正折射光焦度的第三透镜组和具有正折射光焦度的第四透镜组。当透镜组的位置状态从广角端态变到远摄端态时，第一透镜组移向物侧，使得第一透镜组和第二透镜组之间的距离增大，第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小，并且第三透镜组和第四透镜组之间的距离改变。邻近第三透镜组物侧布置一个孔径光阑。第三透镜组由三个透镜元件组成，从物侧起它们是正透镜元件、负透镜元件和正透镜元件。满足下列条件表达式(8)：
0.5＜Da/fw＜1.5        (8)
此处，Da表示第三透镜组中最靠物侧的透镜表面与最靠象侧的透镜表面之间沿光轴的距离，fw表示广角端态中变焦透镜系统的焦距。
在本发明的一个优选实施例中，当透镜组的位置状态从广角端态变到远摄端态时，第一透镜组和第三透镜组移向物侧，使得第三透镜组和第四透镜组之间的距离增大。最好满足下列条件表达式(9)：
1＜Δ1/(fw·ft)1/2＜2      (9)
此处Δ1表示透镜组位置状态从广角端态变为远摄端态时第一透镜组的移动量，并且ft表示远摄端态中变焦透镜系统的焦距。
在本发明的一个优选实施例中，第二透镜组由三个透镜元件组成，从物侧起它们是：具有面朝象侧的凹面的第一负透镜元件，具有面朝象侧的凹面的第二负透镜元件，和具有面朝物侧的凸面的正透镜元件。最好满足下列条件表达式(10)：
0.03＜D23/|f2|＜0.20      (10)
此处，D23表示第二透镜组中第二负透镜元件和正透镜元件之间的距离，并且f2表示第二透镜组的焦距。
在本发明的一个优选实施例中，第一透镜组由一个胶合正透镜组成，该胶合正透镜通过一个具有面朝物侧的凸面的负弯月透镜与正透镜胶合而成。最好满足下列条件表达式(11)：
D1/R1＜(fw2/(fw2+ymax 2)1/2      (11)
此处D1表示广角端态中第一透镜组最靠物侧的透镜表面与孔径光阑之间沿光轴的距离，R1表示第一透镜组中最靠物侧的透镜表面的曲率半径，ymax表示最大像高。
根据本发明的另一方面，变焦透镜系统包括四个透镜组，从物侧起依次是：具有正折射光焦度的第一透镜组，具有负折射光焦度的第二透镜组，具有正折射光焦度的第三透镜组和具有正折射光焦度的第四透镜组。当透镜组的位置状态从广角端态变到远摄端态时，至少第一透镜组和第三透镜组移向物侧，并且第二透镜组首先移向象侧再移向物侧，使得第一透镜组和第二透镜组之间的距离增大，第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小，并且第三透镜组和第四透镜组之间的距离增大。孔径光阑布置在第三透镜组的附近并当改变透镜组位置状态时随第三透镜组一起移动。满足下列条件表达式(12)和(13)：
0.15＜Δ1/Z·(fw·ft)1/2＜0.5      (12)
0.6＜D34W/fw＜1.7         (13)
此处Δ1表示透镜组的位置状态从广角端态变到远摄端态时第一透镜组的移动量，fw表示广角端态中变焦透镜系统的焦距，ft表示远摄端态中变焦透镜系统的焦距，Z表示变焦比(ft/fw)，并且D34W表示在广角端态第三透镜组和第四透镜组之间沿光轴的距离。
在本发明的一个优选实施例中，最好满足下列条件表达式(14)：
0.7＜D23W/Δ3         (14)
此处D23W表示广角端态中第二透镜组和第三透镜组之间的距离，Δ3表示透镜组的位置状态从广角端态变为远摄端态时第三透镜组的移动量。
在本发明的一个优选实施例中，孔径光阑布置在第三透镜组的物侧附近并优选满足下列条件表达式(15)：
0.7＜∑3/fw＜1.5      (15)
此处∑3表示孔径光阑和第三透镜组中最靠象侧的透镜表面之间沿光轴的距离。
根据本发明的一个优选实施例，第二透镜组包括一个位于最靠物侧的负透镜元件和至少一个位于负透镜元件象侧的正透镜元件。优选满足下列条件表达式(16)：
0.8＜∑2/fw＜1.8       (16)
此处∑2表示第二透镜组的最靠物侧透镜表面与最靠象侧透镜表面之间沿光轴的距离。
在本发明的一个优选实施例中，第二透镜组由三个透镜元件组成，从物侧起它们是：具有面朝象侧的凹面的负透镜元件，具有面朝象侧的凹面的负透镜元件，和具有面朝物侧的凸面的正透镜元件。每个透镜元件彼此分开一个空气间隔。最好满足下列条件表达式(17)：
1＜f2p/|f2|＜2     (17)
此处，f2P表示第二透镜组中正透镜元件的焦距，f2表示第二透镜组的焦距。
在本发明的一个优选实施例中，第三透镜组从物侧起包括一个具有面朝物侧的凸面的正透镜元件和具有面朝物侧的凹面的负透镜元件。最好满足下列的条件表达式：  (18)：
0.6＜|f3N|/f3＜1.4    (18)
此处f3N表示第三透镜组中负透镜元件的焦距，f3表示第三透镜组的焦距。
通过下面结合附图对优选实施例的详细描述，本发明的其它特点和优点将更易于理解。
附图说明
图1是根据本发明每个实例的变焦透镜系统的光焦度分布以及变焦时每个透镜组移动的简图；
图2是根据本发明实例1、5和9的变焦透镜系统的透镜分布简图；
图3A是根据本发明实例1、5和9的变焦透镜系统在广角端态下聚焦于无限远时的各种象差曲线；
图3B是根据本发明实例1、5和9的变焦透镜系统在中等焦距态下聚焦于无限远时的各种象差曲线；
图3C是根据本发明实例1、5和9的变焦透镜系统在远摄端态下聚焦于无限远时的各种象差曲线；
图4是根据本发明实例2、6和10的变焦透镜系统的透镜分布简图；
图5A根据本发明实例2、6和10的变焦透镜系统在广角端态下聚焦于无限远时的各种象差曲线；
图5B是根据本发明实例2、6和10的变焦透镜系统在中等焦距态下聚焦于无限远时的各种象差曲线；
图5C是根据本发明实例2、6和10的变焦透镜系统在远摄端态下聚焦于无限远时的各种象差曲线；
图6是根据本发明实例3、7和11的变焦透镜系统的透镜分布简图；
图7A是根据本发明实例3、7和11的变焦透镜系统在广角端态下聚焦于无限远时的各种象差曲线；
图7B是根据本发明实例3、7和11的变焦透镜系统在中等焦距态下聚焦于无限远时的各种象差曲线；
图7C是根据本发明实例3、7和11的变焦透镜系统在远摄端态下聚焦于无限远时的各种象差曲线；
图8是根据本发明实例4、8和12的变焦透镜系统的透镜分布简图；
图9A是根据本发明实例4、8和12的变焦透镜系统在广角端态下聚焦于无限远时的各种象差曲线；
图9B是根据本发明实例4、8和12的变焦透镜系统在中等焦距态下聚焦于无限远时的各种象差曲线；
图9C是根据本发明实例4、8和12的变焦透镜系统在远摄端态下聚焦于无限远时的各种象差曲线。
具体实施方式
[第一实施例]
根据本发明第一实施例的变焦透镜系统由四个透镜组组成，从物侧起依次是：具有正折射光焦度的第一透镜组，具有负折射光焦度的第二透镜组，具有正折射光焦度的第三透镜组和具有正折射光焦度的第四透镜组。孔径光阑布置在第三透镜组的附近。当透镜组的位置状态从透镜系统的焦距成为最短的广角端态变到透镜系统的焦距成为最长的远摄端态时，至少第一透镜组和第三透镜组移向物体，使得第一透镜组和第二透镜组之间的距离增大，第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小，并且第三透镜组和第四透镜组之间的距离增大。
一般在具有多个透镜组的变焦透镜系统中，因为在改变透镜组的位置状态时活动透镜组的数量增多，所以可以满意地校正在改变透镜组的位置状态时产生的离轴象差的变化。因此，可以增大变焦比，该比值是远摄端态中透镜系统的焦距除以广角端态中透镜系统的焦距所得的值。
尤其是为了满意地校正在改变透镜组的位置状态时产生的离轴象差的变化，积极地移动每个透镜组很重要。为此目的，通过增大每个透镜组的移动量，可以主动地改变透过每个透镜组的离轴光线的高度，并且可以满意地校正离轴象差的变化。而且通过将至少一个活动透镜组布置在孔径光阑的象侧和物侧两侧，可以满意地校正高于主要光线的光线象差和低于主要光线的光线象差。
在根据本发明第一实施例的变焦透镜系统中，广角端态下离轴光线穿过远离光轴的第二透镜组。在向远摄端态改变透镜组的位置状态时，离轴光线逐渐接近光轴。因此，可以满意地校正广角端态中产生的离轴象差。另一方面，因为离轴光线穿过第四透镜组在远摄端态比广角端态更远离光轴，所以可以很好地校正远摄端态中产生的离轴象差。
另外，通过在透镜组的位置状态从广角端态变到远摄端态时向物侧移动第一透镜组，穿过第一透镜组的离轴光线在广角端态不离开光轴，并且穿过第一透镜组的同轴光线在远摄端态很集中地会聚。通过以此方式构造透镜系统，第一透镜组的透镜直径可以很小，并且远摄端态中透镜系统的总透镜长度可以缩短。因此，透镜系统可以很紧凑，以致于可以提高便携性。
根据本发明第一实施例的变焦透镜系统的第二透镜组只是负透镜组并具有大的折射光焦度。当透镜组的位置状态从广角端态变到远摄端态时，穿过第二透镜组的离轴光线大大地改变。因此，满意地校正第二透镜组中产生的各种象差是必不可少的。
因此，根据本发明第一实施例的变焦透镜系统的第二透镜组由三个透镜元件组成，从物侧起依次是第一负透镜元件、第二负透镜元件和正透镜元件，因此，每个透镜元件的象差校正功能清楚地分开。通过这种配置，可以满意地校正在改变透镜组的位置状态时产生的离轴象差的变化。
关于更多的信息是划分象差校正功能，使得第一负透镜元件校正离轴象差，第二负透镜元件和正透镜元件校正同轴象差。因为第一负透镜元件布置得远离孔径光阑，所以在广角端态离轴光线通过后远离光轴。因此，第一负透镜元件适于校正离轴象差。形成双合透镜的第二负透镜元件和正透镜元件主要适于校正同轴象差。
孔径光阑布置在第二透镜组的象侧。离轴象差的产生可以通过这样的布局来抑制，即第二透镜组第二负透镜元件的象侧表面是一个凹面，换言之，第二负透镜元件有一个面朝孔径光阑的凹面，并且正透镜元件面朝第二负透镜元件象侧表面的物侧表面是一个面朝物侧的凸面，换言之，正透镜元件的物侧表面是一个面朝孔径光阑的凹面。
通过利用上述结构，根据本发明第一实施例的变焦透镜系统使得可以实现光学性能的改进、紧凑性以及高的变焦比。因此，随着成像装置的集成度以及相机的便携性的提高，变焦透镜系统所需的紧凑性和光学性能的提高可以得到满足。
下面对本发明第一实施例的变焦透镜系统的条件表达式进行解释。
根据本发明第一实施例的变焦透镜系统满足下列条件表达式(1)：
3＜(R24+R25)/fw＜5        (1)
此处，R24表示第二透镜组中第二负透镜元件的象侧表面曲率半径，R25表示第二透镜组中正透镜元件的物侧表面曲率半径，fw表示广角端态中变焦透镜系统的焦距。
条件表达式(1)定义了第二透镜组中第二负透镜元件和正透镜元件的形状的适当范围。
当比例(R24+R25)/fw等于或落在条件表达式(1)的下限以下时，甚至是在制造时第二负透镜元件和正透镜元件之间的微小偏心也会极大地降低光学性能，所以很难维持给定光学性能的稳定性。另一方面，当比例等于或超过条件表达式(1)的上限时，不能满意地校正第二负透镜元件和正透镜元件中产生的正同轴象差。因此，第二透镜组中的象差校正功能不能充分地起作用，以致于不能满意地校正在改变透镜组位置状态时产生的离轴象差的变化。
在根据本发明第一实施例的变焦透镜系统中，为了实现更好的光学性能，最好组成第二透镜组的第一负透镜元件、第二负透镜元件和正透镜元件彼此分开一个空气间隔，并且优选满足下列条件表达式(2)：
0.7＜∑2/fw＜2.1       (2)
此处，∑2表示第二透镜组中最靠物侧的透镜表面和最靠象侧的透镜表面之间沿光轴的距离。
条件表达式(2)定义了第二透镜组的透镜厚度的合适范围。
当比例∑2/fw等于或超过条件表达式(2)的上限时，第二透镜组的厚度变大。因此，穿过第一透镜组和第二透镜组的第一负透镜元件的离轴光线极远离地通过光轴，使得透镜直径变大。而且因为光线通过透镜的周边，所以产生很大的彗差，很难实现预定的光学性能。另一方面，当比例等于或落在条件表达式(2)的下限以下时，第二透镜组的厚度变小。因此，每个透镜元件之间的距离变小，并且每个透镜元件的折射光焦度变大。因此，尤其是为了抑制第二负透镜元件和正透镜元件中产生的高阶正球差并防止第一负透镜元件和第二负透镜元件之间的干涉，离轴光线应该接近光轴。结果是不能校正改变视角时的彗差变化。
根据本发明第一实施例的变焦透镜系统，为了很好地校正尤其在广角端态中图像帧周边产生的彗差、以实现良好的光学性能，第二透镜组中第一负透镜元件的形状为具有面朝图像的凹面的弯月形，并优选满足下列条件表达式(3)：
0.5＜R22/fw＜2       (3)
此处R22表示第二透镜组中第一负透镜元件的象侧表面的曲率半径。
在广角端态中，入射到第二透镜组的光线的入射角变大。因此，当第一负透镜元件的物侧表面是一个面朝物侧的凹面时，在图像帧的周边过度地产生彗差。如上所述，第一负透镜元件的象侧表面最好是一个面朝图像的凹面，因此当第一负透镜元件有一种具有面朝图像的凹面的负弯月形时，可以实现良好的光学性能。当第一负透镜元件具有一种弯月形时，象侧表面的曲率半径变小。因此，象侧表面在广角端态中产生高阶曲率场，所以优选满足条件表达式(3)。当比例R22/fw等于或超过条件表达式(3)的上限时，由于第一负透镜元件象侧表面的影响，在图像帧的周边过度地产生彗差。另一方面，当比例等于或落在条件表达式(3)的下限以下时，在广角端态中第一负透镜元件的象侧表面上产生高阶曲率场。
在根据本发明第一实施例的变焦透镜系统中，第三透镜组从物侧起依次由具有正折射光焦度的第一子透镜组和具有负折射光焦度的第二子透镜组组成。第一子透镜组和第二子透镜组被分开一定的空气间隔。因此，整个透镜系统的光焦度分布接近对称形式，所以可以很好地校正负畸变。在根据本发明第一实施例的变焦透镜系统中，为了实现缩短总透镜长度和良好的光学性能，最好满足下列条件表达式(4)：
0.02＜D2/f3＜0.16       (4)
此处D2表示第三透镜组中第一子透镜组和第二子透镜组之间沿光轴的距离，f3表示第三透镜组的焦距。
条件表达式(4)定义了第三透镜组中第一子透镜组和第二子透镜组之间沿光轴的距离的合适范围。
当比例D2/f3等于或落在条件表达式(4)的下限以下时，第一子透镜组的折射光焦度在正方向变大。因此，可以很好地校正第三透镜组中独立产生的负球差。另一方面，当比例等于或超过条件表达式(4)的上限时，透镜系统的总透镜长度变大，不利于便携性的提高。
在根据本发明第一实施例的变焦透镜系统中，为了缩短远摄端态中总的透镜长度并提高广角端态中图像帧周边的光学性能，第一透镜组由一个胶合正透镜组成，该胶合正透镜通过一个具有面朝物体的凸面的负弯月透镜与具有面朝物体的凸面的正透镜胶合而成，并且最好满足下列条件表达式(5)：
3＜R11/fw＜5           (5)
此处，R11表示第一透镜组中胶合正透镜的物侧表面的曲率半径。
条件表达式(5)定义了第一透镜组中胶合正透镜物侧表面的曲率半径的适当范围。
当比例R11/fw等于或超过条件表达式(5)的上限时，不能很好地校正远摄端态中第一透镜组中产生的负球差。另一方面，当比例等于或落在条件表达式(5)的下限以下时，不能充分地确保胶合正透镜的边缘厚度。因此，离轴光线过度远离光轴地通过，所以不能充分地校正图像帧周边的彗差。
在根据本发明第一实施例的变焦透镜系统中，为了良好地校正在改变透镜组的位置状态时产生的离轴象差的变化、提高透镜系统的紧凑性并提高光学性能和便携性，最好至少满足下列两个条件表达式(6)和(7)中之一：
3＜f1/(fw·ft)1/2＜7.5        (6)
0.6＜|f2|/(fw·ft)1/2＜1.1    (7)
此处f1表示第一透镜组的焦距，f2表示第二透镜组的焦距，ft表示远摄端态中变焦透镜系统的焦距。
条件表达式(6)定义了第一透镜组焦距的合适范围。
当比例f1/(fw·ft)1/2等于或超过条件表达式(6)的上限时，远摄端态中总的透镜长度变大，所以很难实现便携性充分地提高。另一方面，当比例等于或落在条件表达式(6)的下限以下时，在广角端态中穿过第一透镜组的离轴光线强烈地折射。因此，不能很好地校正改变视角时产生的彗差变化，使得很难实现较高的光学性能。
条件表达式(7)定义了第二透镜组焦距的合适范围。
当比例|f2|/(fw·ft)1/2等于或超过条件表达式(7)的上限时，广角端态中第二透镜组和第三透镜组之间的距离不得不变大。因此，通过第二透镜组的离轴光线远离光轴地通过，使得不能满意地校正改变视角时产生的彗差变化。另一方面，当比例等于或落在条件表达式(7)的下限以下时，不能满意地校正第二透镜组中单独产生的正球差。因此，不能在远摄端态中实现更好的光学性能。
在根据本发明第一实施例的变焦透镜系统中，可以通过应用非球面透镜实现较好的光学性能。特别是通过将非球面透镜应用到第二透镜组的第一负透镜元件中，可以很好地校正在广角端态中产生的离轴象差。而且通过在第三透镜组中应用非球面透镜，可以满意地校正在广角端态中产生在图像帧周边的彗差。可以通过同时应用多个非球面实现较好的光学性能。
在根据本发明第一实施例的变焦透镜系统中，为了实现紧凑性，使透镜元件的数量尽可能地少。但是，例如可以通过用一个胶合透镜构建组成第三透镜组的三个透镜元件中的至少一个透镜元件而实现较高的光学性能。可以通过用一个胶合透镜构建组成第二透镜组的透镜元件中的至少一个透镜元件实现较高的光学性能。
在根据本发明第一实施例的变焦透镜系统中，通过基本上垂直于光轴地平移组成透镜系统的透镜组或该透镜组的一部分，可以平移图像。因此，根据本发明第一实施例的变焦透镜系统可以用作一种与用于探测相机震动的震动探测器、用于平移上述一个透镜组或该透镜组的一部分以及用于控制驱动器以校正由震动探测器探测到的震动的控制器组合的震动减少的光学系统。
在根据本发明第一实施例的变焦透镜系统中，可以适当地抑制在聚焦近物时第二透镜组向第四透镜组移动时各种象差的变化。特别是，在下列实例中，虽然第四透镜组由正透镜元件组成，但为了校正聚焦近物时产生的离轴象差的变化，第四透镜组可以由胶合透镜构成。
在根据本发明第一实施例的变焦透镜系统中，为了防止在透镜系统的象侧产生莫尔图案，可以根据探测器的频率特性布置一个低通滤光片或红外截止滤光片。
根据本发明第一实施例的变焦透镜系统可以应用到所谓的变焦透镜，这种透镜的焦距状态不连续的存在。
下面参考附图解释根据本发明第一实施例的变焦透镜系统的每个实例。
在每个实例中，非球面由下列表达式表示：
x＝cy2/[1+(1-k·c2y2)1/2]+C4·y4+C6·y6+C8·y8+C10·y10
此处y表示距光轴的高度，x表示下垂量，c表示参考曲率半径(近轴曲率半径)，k表示圆锥系数，C4、C6、C8、C10分别表示第四、第六、第八和第十非球面系数。
图1是根据本发明每个实例的变焦透镜系统的光焦度分布的简图，其中W表示广角端态，T表示远摄端态。
根据本发明第一实施例的每个实例的变焦透镜系统，从物侧起由具有正折射光焦度的第一透镜组G1、具有负折射光焦度的第二透镜组G2、具有正折射光焦度的第三透镜组G3和具有正折射光焦度的第四透镜组G4组成。当透镜组的位置状态从广角端态变到远摄端态时，第一透镜组G1和第三透镜组G3移向物体，使得第一透镜组G1和第二透镜组G2之间的距离增大，第二透镜组G2和第三透镜组G3之间的距离减小，并且第三透镜组G3和第四透镜组G4之间的距离增大。此时第二透镜组G2移向物侧或首先移向象侧并再移向物侧。第四透镜组G4固定或首先移向物侧并再移向象侧。
<实例1>
图2是根据本发明第一实施例的实例1的变焦透镜系统的透镜分布简图。
在根据实例1的变焦透镜系统中，第一透镜组G1由一个胶合透镜组成，该胶合透镜从物侧起由一个具有面朝物侧的凸面的负弯月透镜L11与具有面朝物侧的凸面的正透镜L12胶合而成。
第二透镜组G2从物侧起由一个具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L21、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L22和具有面朝物体的凸面的正透镜元件L23组成。
第三透镜组G3从物侧起由双凸正透镜元件L31、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L32和具有面朝象侧的凸面的正透镜元件L33组成。具有正折射光焦度的第一子透镜组由正透镜元件L31组成。具有负折射光焦度的第二子透镜组由负透镜元件L32和正透镜元件L33结合而成。顺便说一下，第二子透镜组可以只由负透镜元件L32组成。
第四透镜组G4由具有面朝物体的凸面的正透镜元件L41组成。
在根据实例1的变焦透镜系统中，孔径光阑S布置在第三透镜组G3的物侧，并当改变透镜组的位置状态时与第三透镜组G3一起移动。
与实例1有关的各种值列于表1。
在[主要参数]中，f表示焦距，FNO表示f数，2ω表示视角的最大值(单位：°)。
在[透镜数据]中，第一栏是从物侧算起的表面数，第二栏“r”是透镜表面的曲率半径，第三栏“d”是相邻透镜表面之间的距离，第四栏“n”是在d线(λ＝587.6nm)的折射率，第五栏“v”是阿贝数。当曲率半径为0.0000时，意味着是平面。Bf表示后焦距。
在数值表中，“mm”一般用于长度如焦距、曲率半径、相邻表面之间的距离的单位。但因为光学系统成比例的放大或缩小其尺寸可以获得类似的光学性能，所以单位不必限定在“mm”，并且可以使用任何其它合适的单位。
顺便说一下，在下列所有实例中，采用与本实例相同的标号。
表1
[主要参数]
           广角端            中等焦距          远摄端
f＝         6.39              14.40             27.16
FNO＝       2.88              4.07              4.57
2ω＝       75.21°                        35.49°                        19.12°
[透镜数据]
               r                d               N               v
1            40.2543          0.900          1.84666          23.78
2            26.0490          2.800          1.75500          52.32
3           -1909.4996        (D3)           1.0
4            37.9055          1.000          1.79450          45.40
5            7.0398           2.450          1.0
6           -61.1984          0.700          1.77250          49.61
7            10.36            1.200          1.0
8            11.9637             1.800          1.84666       23.78
9            134.7168            (D9)           1.0
10           0.0000              2.000          1.0           孔径光阑S
11           5.3928              2.250          1.72916       54.66
12          -42.5477             0.800          1.0
13          -16.5589             0.650          1.80809       22.76
14           13.3606             0.450          1.0
15          -12.4508             0.900          1.79450       45.40
16          -11.0987             (D16)          1.0
17           12.3487             2.300          1.49700       81.61
18          -9944.9996           (Bf)           1.0
[非球面数据]
表面数＝5
k＝-2.5765
C4＝+1.1581×10-3
C6＝-9.5500×10-6
C8＝+2.2307×10-8
C10＝+4.0283×10-9
表面数＝15
k＝8.1170
C4＝+7.3841×10-4
C6＝+3.9143×10-4
C8＝-1.0685×10-5
C10＝-3.0515×10-8
表面数＝16
k＝-9.0000
C4＝+7.9978×10-4
C6＝+4.2205×10-4
C8＝-1.0964×10-5
C10＝+1.0713×10-6
[可变距离数据]
            广角端          中等焦距           远摄端
f           6.3854          14.3998            27.1599
D3          0.7000          10.3807            17.4976
D9          12.6680         3.6276             0.5852
D16         6.2413          11.1178            21.0512
BF          6.0304          7.7015             6.0299
[条件表达式的值]
f1＝55.771
f2＝-9.656
f3＝12.742
(1)(R24+R25)/fw＝3.50
(2)∑2/fw＝1.12
(3)R22/fw＝1.10
(4)D2/f3＝0.06
(5)R11/fw＝4.08
(6)f1/(fw·ft)1/2＝4.23
(7)|f2|/(fw·ft)1/2＝0.73
图3A、3B和3C是根据本发明第一实施例的实例1的变焦透镜系统在广角端态(f＝6.39)、中等焦距态(f＝14.40)和远摄端态(f＝27.16)下聚焦于无限远时的各种象差曲线。
在各种象差曲线中，FNO表示f数，A表示半视角。Y表示像高。在表示象散和畸变的简图中，Y表示最大像高。
在表示球差的简图中，FNO表示关于最大孔径的f数，实线表示球差，虚线表示正弦状态。
在表示象散的简图中，实线表示矢象平面，虚线表示经象平面。
在表示彗差的简图中，表现了在像高Y＝0.0、2.35、3.29、3.995和4.70处的彗差。
在下列实例的各种象差曲线中，采用与实例1相同的标号。
从各个曲线中显见，作为各种象差得到良好校正的结果，根据实例1的变焦透镜系统表现出优良的光学性能。
<实例2>
图4是根据本发明第一实施例的实例2的变焦透镜系统的透镜分布简图。
在根据实例2的变焦透镜系统中，第一透镜组G1由一个胶合透镜组成，该胶合透镜从物侧起由一个具有面朝物侧的凸面的负弯月透镜L11与具有面朝物侧的凸面的正透镜L12胶合而成。
第二透镜组G2从物侧起由一个具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L21、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L22和具有面朝物体的凸面的正透镜元件L23组成。
第三透镜组G3从物侧起由双凸正透镜元件L31、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L32和具有面朝象侧的凸面的正透镜元件L33组成。具有正折射光焦度的第一子透镜组由正透镜元件L31组成。具有负折射光焦度的第二子透镜组由负透镜元件L32和正透镜元件L33结合而成。顺便说一下，第二子透镜组可以只由负透镜元件L32组成。
第四透镜组G4由具有面朝物体的凸面的正透镜元件L41组成。
在根据实例2的变焦透镜系统中，孔径光阑S布置在第三透镜组G3的物侧，并当改变透镜组的位置状态时与第三透镜组G3一起移动。
与实例2有关的各种值列于表2。
表2
[主要参数]
              广角端            中等焦距           远摄端
f＝           6.70               14.60              27.13
FNO＝         2.88               3.84               4.78
2ω＝         72.72°                          35.08°                           19.27°
[透镜数据]
               r                 d                 n                 v
1            38.2542            0.900            1.84666           23.78
2            26.4710            2.500            1.77250           49.61
3            155.9562           (D3)             1.0
4            36.3311            1.000            1.79450           45.40
5            7.7749             2.650            1.0
6           -76.4394            0.700            1.75500           52.32
7            12.5365            1.650            1.0
8            14.2461            1.800            1.84666           23.78
9            101.9364           (D9)             1.0
10           0.0000             1.700            1.0               孔径光阑S
11           5.9506             2.150            1.72916           54.66
12          -121.3146           1.000            1.0
13          -25.5408            0.650            1.80809           22.76
14           11.8809            0.500            1.0
15          -19.0549            0.900            1.69350           53.22
16          -11.2921            (D16)            1.0
17           23.5288            1.350            1.75500           52.32
18           0.0000             (Bf)             1.0
[非球面数据]
表面数＝5
k＝-3.3630
C4＝+1.0617×10-3
C6＝-1.6626×10-5
C8＝+3.2651×10-7
C10＝-2.2032×10-9
表面数＝15
k＝11.0000
C4＝-3.1648×10-4
C6＝+1.0222×10-4
C8＝+1.7755×10-5
C10＝-9.2894×10-7
表面数＝16
k＝-1.4398
C4＝+5.8112×10-4
C6＝+1.2537×10-4
C8＝+1.3154×10-5
C10＝-1.7033×10-7
[可变距离数据]
                    广角端            中等焦距           远摄端
f                   6.6999            14.5999            27.1315
D3                  0.7000            11.3350            21.4250
D9                  16.0590           5.7222             0.9432
D16                 8.0203            14.0854            20.0819
BF                  6.0303            6.0303             6.0300
[条件表达式的值]
f1＝68.509
f2＝-11.261
f3＝13.601
(1)(R24+R25)/fw＝4.00
(2)∑2/fw＝1.16
(3)R22/fw＝1.16
(4)D2/f3＝0.07
(5)R11/fw＝3.95
(6)f1/(fw·ft)1/2＝5.08
(7)|f2|/(fw·ft)1/2＝0.84
图5A、5B和5C是根据本发明实例2的变焦透镜系统在广角端态(f＝6.70)、中等焦距态(f＝14.60)和远摄端态(f＝27.13)下聚焦于无限远时的各种象差曲线。
从各个曲线中显见，作为各种象差得到良好校正的结果，根据实例2的变焦透镜系统表现出优良的光学性能。
<实例3>
图6是根据本发明第一实施例的实例3的变焦透镜系统的透镜分布简图。
在根据实例3的变焦透镜系统中，第一透镜组G1由一个胶合透镜组成，该胶合透镜从物侧起由一个具有面朝物侧的凸面的负弯月透镜L11与具有面朝物侧的凸面的正透镜L12胶合而成。
第二透镜组G2从物侧起由一个具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L21、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L22和具有面朝物体的凸面的正透镜元件L23组成。
第三透镜组G3从物侧起由双凸正透镜元件L31、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L32和具有面朝象侧的凸面的正透镜元件L33组成。具有正折射光焦度的第一子透镜组由正透镜元件L31组成。具有负折射光焦度的第二子透镜组由负透镜元件L32和正透镜元件L33结合而成。顺便说一下，第二子透镜组可以只由负透镜元件L32组成。
第四透镜组G4由具有面朝物体的凸面的正透镜元件L41组成。
在根据实例3的变焦透镜系统中，孔径光阑S布置在第三透镜组G3的物侧，并当改变透镜组的位置状态时与第三透镜组G3一起移动。
与实例3有关的各种值列于表3。
表3
[主要参数]
                  广角端            中等焦距            远摄端
f＝               7.20              15.00               27.13
FNO＝             2.88              3.60                4.70
2ω＝             68.77°                        34.24°                            19.13°
[透镜数据]
              r                  d                n               v
1            39.0896            0.900           1.84666         23.78
2            26.1740            2.400           1.75500         52.32
3            847.0754           (D3)            1.0
4            29.8433            1.000           1.79450         45.40
5            6.2925             2.350           1.0
6           -26.6454            0.700           1.77250         49.61
7            17.2580            0.750           1.0
8            13.0478            1.700           1.84666         23.78
9            7831.4595          (D9)            1.0
10           0.0000             1.700           1.0             孔径光阑S
11           5.3972             2.250           1.75500         52.32
12          -53.8427            0.450           1.0
13               -42.8393          0.650        1.80809          22.76
14                8.9800           0.550        1.0
15               -17.4827          0.900        1.79450          45.40
16               -14.0668          (D16)        1.0
17                16.6627          1.700        1.60300          65.47
18               -9944.9996        (Bf)         1.0
[非球面数据]
表面数＝5
k＝-2.1043
C4＝+1.4570×10-3
C6＝-8.7419×10-6
C8＝+4.6555×10-8
C10＝+9.7870×10-9
表面数＝15
k＝4.5475
C4＝-5.7196×10-4
C6＝+1.7009×10-4
C8＝+1.6752×10-5
C10＝-1.2084×10-6
表面数＝16
k＝-8.0776
C4＝+5.4710×10-4
C6＝+2.2019×10-4
C8＝+1.1611×10-5
C10＝+1.1219×10-7
[可变距离数据]
                 广角端            中等焦距         远摄端
f                7.2028            14.9999          27.1330
D3               0.7000            10.2814          17.8673
D9               11.8980           3.6587           0.8000
D16                7.6709           11.1235         19.7736
BF                 6.0304           7.0303          6.0302
[条件表达式的值]
f1＝57.688
f2＝-10.162
f3＝12.501
(1)(R24+R25)/fw＝4.20
(2)∑2/fw＝0.90
(3)R22/fw＝0.87
(4)D2/f3＝0.04
(5)R11/fw＝3.63
(6)f1/(fw·ft)1/2＝4.13
(7)|f2|/(fw·ft)1/2＝0.73
图7A、7B和7C是根据本发明实例3的变焦透镜系统在广角端态(f＝7.20)、中等焦距态(f＝15.00)和远摄端态(f＝27.13)下聚焦于无限远时的各种象差曲线。
从各个曲线中显见，作为各种象差得到良好校正的结果，根据实例3的变焦透镜系统均表现出优良的光学性能。
<实例4>
图8是根据本发明第一实施例的实例4的变焦透镜系统的透镜分布简图。
在根据实例4的变焦透镜系统中，第一透镜组G1由一个胶合透镜组成，该胶合透镜从物侧起由一个具有面朝物侧的凸面的负弯月透镜L11与具有面朝物侧的凸面的正透镜L12胶合而成。
第二透镜组G2从物侧起由一个具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L21、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L22和具有面朝物体的凸面的正透镜元件L23组成。
第三透镜组G3从物侧起由双凸正透镜元件L31、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L32和具有面朝象侧的凸面的正透镜元件L33组成。具有正折射光焦度的第一子透镜组由正透镜元件L31组成。具有负折射光焦度的第二子透镜组由负透镜元件L32和正透镜元件L33结合而成。顺便说一下，第二子透镜组可以只由负透镜元件L32组成。
第四透镜组G4由具有面朝物体的凸面的正透镜元件L41组成。
在根据实例3的变焦透镜系统中，玻璃块B布置在第四透镜组G4和象平面I之间。玻璃块B具有低通滤光片的功能以去除高于布置在象平面I上的成像装置分辨率限度的空间频率，并具有盖片玻璃的作用以保护成像装置。在第三透镜组G3的物侧布置一个孔径光阑S，当改变透镜组的位置状态时孔径光阑S与第三透镜组G3一起移动。
与实例4有关的各种值列于表4。
表4
[主要参数]
                  广角端           中等焦距           远摄端
f＝               6.45              15.00             24.30
FNO＝             2.88              3.75              4.50
2ω＝             74.84°                        34.56°                         21.72°
[透镜数据]
               r               d               n              v
1            35.5670          0.900          1.84666         23.78
2            25.2949          3.00           1.81600         46.63
3            81.7907          (D3)           1.00
4              55.7736         0.950         1.69350         53.22
5              9.0909          4.000         1.0
6             -17.9746         0.800         1.65160         58.54
7              11.2326         1.650         1.0
8              16.8117         2.600         1.80610         33.27
9             -58.3068         (D9)          1.0
10             0.0000          0.500         1.0             孔径光阑S
11             5.6321          2.700         1.49700         81.61
12            -25.0030         1.700         1.0
13            -10.2813         0.800         1.84666         23.83
14            -38.8327         0.650         1.0
15            -6.3119          1.150         1.58913         61.18
16            -6.0000          (D16)         1.0
17             25.0008         1.500         1.60300         65.47
18             0.0000          (D18)         1.0
19             0.0000          3.260         1.51633         64.14玻璃块
20             0.0000          (Bf)          1.0
[非球面数据]
表面数＝4
k＝11.0000
C4＝+8.6165×10-5
C6＝-5.7772×10-7
C8＝+4.8229×10-9
C10＝+1.9002×10-12
表面数＝15
k＝2.5931
C4＝-4.2473×10-4
C6＝+8.0084×10-5
C8＝+2.0467×10-5
C10＝-5.5844×10-7
表面数＝16
k＝1.0000
C4＝+2.4812×10-4
C6＝+8.0084×10-5
C8＝+1.4345×10-5
C10＝-3.5453×10-7
[可变距离数据]
                广角端            中等焦距            远摄端
f               6.4500            15.0000             24.2971
D3              0.7000            13.6869             20.2971
D9              21.5550           7.2060              1.9990
D16             8.5440            14.5889             19.8175
D18             1.0000            1.0000              1.0000
BF              2.4410            2.4410              2.4410
[条件表达式的值]
f1＝76.146
f2＝-12.086
f3＝14.998
(1)(R24+R25)/fw＝4.35
(2)∑2/fw＝1.55
(3)R22/fw＝1.41
(4)D2/f3＝0.11
(5)R11/fw＝3.92
(6)f1/(fw·ft)1/2＝6.08
(7)|f2|/(fw·ft)1/2＝0.97
图9A、9B和9C是根据本发明实例4的变焦透镜系统在广角端态(f＝6.50)、中等焦距态(f＝15.00)和远摄端态(f＝24.30)下聚焦于无限远时的各种象差曲线。
从各个曲线中显见，作为各种象差得到良好校正的结果，根据实例4的变焦透镜系统均表现出优良的光学性能。
[第二实施例]
根据本发明第二实施例的变焦透镜系统由四个透镜组组成，从物侧起依次是：具有正折射光焦度的第一透镜组，具有负折射光焦度的第二透镜组，具有正折射光焦度的第三透镜组和具有正折射光焦度的第四透镜组。当透镜组的位置状态从透镜系统的焦距成为最短的广角端态变到透镜系统的焦距成为最长的远摄端态时，至少第一透镜组移向物体，使得第一透镜组和第二透镜组之间的距离增大，第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小，并且第三透镜组和第四透镜组之间的距离增大。
特别是孔径光阑邻近于第三透镜组的物侧。第三透镜组由三个透镜元件组成，从物侧起它们依次是正透镜元件、负透镜元件和正透镜元件。
利用上述结构，本发明第二实施例的变焦透镜系统使得实现光学性能的改进、紧凑性以及高变焦比成为可能。因此，根据成像装置的高集成度和相机便携性的提高，本透镜系统可以应用于变焦透镜系统所需的光学性能的改进。
在根据本发明第二实施例的变焦透镜系统中，第一透镜组和第二透镜组在广角端态中彼此紧密分布。因此，通过第一透镜组的离轴光线接近光轴，所以可以抑制离轴象差的产生。
当透镜组的位置状态从广角端态变到远摄端态时，第一透镜组和第二透镜组之间的距离增大。因此，通过第一透镜组的离轴光线的高度也积极地变化，由此可以很好地校正在改变透镜组的位置状态时产生的离轴象差。
同时，第二透镜组和第三透镜组在广角端态下彼此分开分布。因此，通过第二透镜组的离轴光线和同轴光线之间的高度差变得很大，所以可以单独地校正同轴象差和离轴象差。
当透镜组的位置状态变到远摄端态时，第二透镜组和第三透镜组之间的距离变小。因此，通过第二透镜组的离轴光线的高度积极地变化，所以可以校正在改变透镜组的位置状态时产生的离轴象差的变化。
根据本发明第二实施例的变焦透镜系统当透镜组的位置状态从广角端态变到远摄端态时，通过向物侧移动第一透镜组以改变总透镜长度而积极地改变每个透镜组之间的距离。因此，可以满意地校正在改变透镜组的位置状态时各种象差的变化。
例如，在日本专利申请JP2001-188170所述的变焦透镜中，第三透镜组从物侧起由一个正透镜元件和一个胶合负透镜组成，其中胶合负透镜由一个正透镜元件与一个负透镜元件胶合而成。正负折射光焦度的光焦度分布满足于校正广角端态下产生的负畸变，并且第三透镜组具有很强的正折射光焦度。因此，为了构成具有这种光焦度分布的透镜系统，需要加宽正透镜元件和负透镜元件之间的距离，换言之，需要变大第三透镜组的厚度。而且在根据日本专利申请JP2001-188170的变焦透镜中，第三透镜组和第四透镜组之间的距离变大。因此可以充分地缩短总透镜长度。另一方面，当正折射光焦度和负折射光焦度加强以实现总透镜长度的紧凑性时，要实现较高的光学性能变得困难。
如上所述，在根据本发明第二实施例的变焦透镜系统中，第三透镜组由三个透镜元件组成，从物侧起依次是正透镜元件、负透镜元件和正透镜元件。因此，第三透镜组和第四透镜组之间的距离可以很小并且总透镜长度可以缩短。而且因为透镜结构是三合型，所以可以预期有较好的光学性能。
下面解释关于本发明第二实施例的变焦透镜系统的各种条件表达式。
根据本发明第二实施例的变焦透镜系统满足下列条件表达式(8)：
0.5＜Da/fw＜1.5      (8)
此处，Da表示第三透镜组中最靠物侧的透镜表面与最靠象侧的透镜表面之间沿光轴的距离，fw表示广角端态中变焦透镜系统的焦距。
条件表达式(8)定义了第三透镜组厚度的适当范围。
当比例Da/fw等于或超过条件表达式(8)的上限时，第三透镜组的厚度变大，由此变得很难使透镜系统进入紧凑状态。另一方面，当比例等于或落在条件表达式(8)的下限以下时，组成第三透镜组的三个透镜元件的每个折射光焦度变大，使得很难满意地校正广角端态下在图像帧周边产生的彗差。
在根据本发明第二实施例的变焦透镜系统中，为了实现较高的变焦比和良好的光学性能，最好当透镜组的位置状态从广角端态变到远摄端态时每个透镜组之间的距离以及总透镜长度都变化。
尤其在广角端态中，通过尽可能地缩短总透镜长度，入射到第一透镜组的光线接近光轴，防止了离轴象差的产生。在远摄端态中，通过将第一透镜组移向物侧以加宽第一透镜组和第二透镜组之间的距离，第一透镜组的会聚效果增强，使得总透镜长度缩短。
而且在广角端态中，通过使第三透镜组接近象平面，第一透镜组和第二透镜组的发散效果减弱，并且同时第三透镜组的会聚效果也减弱。当透镜组的位置状态变到远摄端态时，通过移动第三透镜组使第三透镜组和第四透镜组之间的距离增大，可以很好地校正在改变透镜组的位置状态时产生的离轴象差。
在根据本发明第二实施例的变焦透镜系统中，最好满足下列条件表达式(9)：
1＜Δ1/(fw·ft)1/2＜2     (9)
此处Δ1表示透镜组位置状态从广角端态变为远摄端态时第一透镜组的移动量，并且ft表示远摄端态中变焦透镜系统的焦距。
条件表达式(9)定义了第一透镜组移动量的适当范围。
当比例Δ1/(fw·ft)1/2等于或超过条件表达式(9)的上限时，在远摄端态通过第一透镜组的离轴光线离光轴较远地通过。因此，它不仅造成透镜直径变大，而且还在图像帧的周边产生较大的彗差。
另一方面，当该比例等于或落在条件表达式(9)的下限以下时，第一透镜组和第二透镜组的折射光焦度变大。因此，很难很好地校正改变透镜组的位置状态时产生的离轴象差的变化。
在根据本发明第二实施例的变焦透镜系统中，为了有效地实现紧凑性和良好的光学性能，第二透镜组由三个透镜元件组成，从物侧起依次是具有面朝象侧的凹面的第一负透镜元件、具有面朝象侧的凹面的第二负透镜元件和具有面朝物体的凸面的正透镜元件，并且最好满足下列条件表达式(10)：
0.03＜D23/|f2|＜0.20      (10)
此处，D23表示第二透镜组中第二负透镜元件和正透镜元件之间的距离，并且f2表示第二透镜组的焦距。
在根据本发明第二实施例的变焦透镜系统中，因为第二透镜组只是一个负透镜组并具有很强的负折射光焦度，所以需要很好地校正第二透镜组中产生的各种象差。而且当第二透镜组的透镜厚度变大时，不能通过缩小透镜系统而将透镜系统装在相机中。同时，因为穿过第一透镜组的离轴光线远离光轴地通过，所以第一透镜组的透镜直径变大，使得透镜筒的直径变大。
如上所述，在根据本发明第二实施例的变焦透镜系统中，第二透镜组由三个透镜元件组成，从物侧起依次是具有面朝象侧的凹面的第一负透镜元件、具有面朝象侧的凹面的第二负透镜元件和具有面朝物体的凸面的正透镜元件。第二负透镜元件和正透镜元件形成一个双合透镜。通过这种结构，可以很好地校正第二透镜组中产生的正球差，并且可以通过布置在第二负透镜元件物侧的第一负透镜元件校正离轴象差。
另外，因为在第二负透镜元件的象侧布置孔径光阑，所以可以由第一负透镜元件校正离轴象差，并且可以通过布置在孔径光阑附近的第二负透镜元件和正透镜元件校正同轴象差。
因为如上所述第二透镜组的折射率较大，所以为了满意地校正正球差，最好适当地布置第二负透镜元件和正透镜元件之间的距离。因此，根据本发明第二实施例的变焦透镜系统最好满足上述条件表达式(10)。
条件表达式(10)定义第二透镜组的第二负透镜元件和正透镜元件之间距离的适当范围。
当比例D23/|f2|等于或超过条件表达式(10)的上限时，穿过第一透镜元件的离轴光线远离光轴地通过。因此，不能很好地校正广角端态下图像帧周边产生的彗差。另外，透镜筒变大。
另一方面，当该比例等于或落在条件表达式(10)的下限以下时，第二透镜组中第二负透镜元件和正透镜元件的折射光焦度变大。因此，由于制造时产生的微小偏心严重地衰减光学性能。
在根据本发明第二实施例的变焦透镜系统中，为了缩窄透镜系统，第一透镜组最好由一个胶合透镜组成，其中该胶合透镜由一个具有面朝物体的凸面的负弯月透镜与一个正透镜胶合而成。另外，为了满意地校正在广角端态下改变视角时产生的彗差变化，最好满足下列条件表达式(11)：
D1/R1＜(fw2/(fw2+ymax 2)1/2       (11)
此处D1表示广角端态中第一透镜组最靠物侧的透镜表面与孔径光阑之间的距离，R1表示第一透镜组中最靠物侧的透镜表面的曲率半径，ymax表示最大像高。
条件表达式(11)定义了入射到第一透镜组的离轴光线的入射角的适当范围。条件表达式(11)中的值(fw2/(fw2+ymax 2)1/2是与广角端态中的半视角的关系。在通常采用的正交投影系统中，表达式y＝f·tanθ用作标准，其中y表示像高，f表示焦距，θ表示半视角。因此，当半视角θ为0°～90°时，cosθ由cosθ＝(f2/(f2+y2))1/2表示。换言之，广角端态中半视角的余弦变为条件表达式(11)的右端。
当左侧值D1/R1等于或超过条件表达式(11)而上限时，广角端态中接近图像帧周边的离轴光线趋于在第一透镜组最靠物侧的透镜表面向远离光轴的方向折射。最靠物侧的透镜表面最初是一个凸面，所以入射光线趋于在图像的中心部分向接近光轴的方向折射。但是，在改变视角时折射光焦度变弱，所以光线趋于在图像帧的周边远离光轴地折射。因此，趋于产生高阶场曲率。因为在广角端态中易于产生场曲率，尤其在视角变大时，所以为了获得良好的光学性能，需要适当地布置第一透镜组最靠物侧的透镜表面和孔径光阑之间的距离以及最靠物侧透镜表面的曲率半径。
在根据本发明第二实施例的变焦透镜系统中，通过使用非球面透镜，可以实现较好的光学性能。特别是当把第二透镜组的第一负透镜元件做成非球面透镜时，可以很好地校正广角端态中产生的离轴象差。而且当在第三透镜组中引入非球面透镜时，可以很好地校正广角端态中图像帧周边产生的彗差。另外，可以通过在透镜系统中引入多个非球面透镜实现更好的光学性能。
在根据本发明第二实施例的变焦透镜系统中，为了实现紧凑性，使透镜元件的数量尽可能地少。但是，当组成第三透镜组的三个透镜元件中的至少一个透镜元件做成胶合透镜时，可以实现较好的光学性能。当组成第二透镜组的至少一个透镜元件做成胶合透镜时，可以实现较好的光学性能。
在根据本发明第二实施例的变焦透镜系统中，通过基本上垂直于光轴地平移组成透镜系统的透镜组的其中一个整个的透镜组或透镜组的一部分，可以平移图像。因此，根据本发明第二实施例的变焦透镜系统可以与一个用于探测相机震动的震动探测器、用于平移上述一个透镜组或透镜组的一部分的驱动器以及用于控制驱动器以校正由震动探测器探测到的震动的控制器组合，用作震动减小的光学系统。
在根据本发明第二实施例的变焦透镜系统中，适于通过在聚焦近物时沿光轴使第二透镜组向第四透镜组移动来抑制各种象差的变化。特别是，在下列实例中，虽然第四透镜组由正透镜元件组成，但为了校正聚焦近物时产生的离轴象差的变化，可以由一个胶合透镜构成第四透镜组。
在根据本发明第二实施例的变焦透镜系统中，为了防止透镜系统的象侧产生莫尔图案，可以根据探测器的频率特性布置一个低通滤光片或一个红外截止滤光片。
根据本发明第二实施例的变焦透镜系统可以应用到焦距状态不连续存在的所谓的变焦透镜。
图1是根据本发明每个实例的变焦透镜系统的光焦度分布的简图，其中W表示广角端态，T表示远摄端态。
根据本发明第二实施例每个实例的变焦透镜系统，从物侧起由具有正折射光焦度的第一透镜组G1、具有负折射光焦度的第二透镜组G2、具有正折射光焦度的第三透镜组G3和具有正折射光焦度的第四透镜组G4组成。当透镜组的位置状态从广角端态变到远摄端态时，第一透镜组G1和第三透镜组G3移向物体，使得第一透镜组G1和第二透镜组G2之间的距离增大，第二透镜组G2和第三透镜组G3之间的距离减小，并且第三透镜组G3和第四透镜组G4之间的距离增大。此时第二透镜组G2移向物侧或首先移向象侧并再移向物侧。第四透镜组G4固定或首先移向物侧并再移向象侧。
顺便说一下，第二实施例的各实例5至8分别与实例1至4相同。
<实例5>
图2是根据本发明第二实施例实例5的变焦透镜系统的透镜分布简图。
在根据实例5的变焦透镜系统中，第一透镜组G1由一个胶合透镜组成，该胶合透镜从物侧起由一个具有面朝物侧的凸面的负弯月透镜L11与具有面朝物侧的凸面的正透镜L12胶合而成。
第二透镜组G2从物侧起由一个具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L21、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L22和具有面朝物体的凸面的正透镜元件L23组成。
第三透镜组G3从物侧起由双凸正透镜元件L31、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L32和具有面朝象侧的凸面的正透镜元件L33组成。
第四透镜组G4由具有面朝物体的凸面的正透镜元件L41组成。
在根据实例5的变焦透镜系统中，孔径光阑S布置在第三透镜组G3的物侧，并当改变透镜组的位置状态时与第三透镜组G3一起移动。
与实例5有关的各种值列于表5。
表5
[主要参数]
                广角端           中等焦距           远摄端
f＝             6.39              14.40             27.16
FNO＝           2.88              4.07              4.57
2ω＝           75.21°                         35.49°                        19.12°
[透镜数据]
                 r                d                n                v
1              40.2543           0.900           1.84666          23.78
2              26.0490           2.800           1.75500          52.32
3             -1909.4996         (D3)            1.0
4              37.9055           1.000           1.79450          45.40
5              7.0398            2.450           1.0
6             -61.1984           0.700           1.77250          49.61
7              10.3694           1.200           1.0
8              11.9637           1.800           1.84666          23.78
9              134.7168       (D9)           1.0
10             0.0000         2.000          1.0           孔径光阑S
11             5.3928         2.250          1.72916       54.66
12            -42.5477        0.800          1.0
13            -16.5589        0.650          1.80809       22.76
14             13.3606        0.450          1.0
15            -12.4508        0.900          1.79450       45.40
16            -11.0987        (D16)          1.0
17             12.3487        2.300          1.49700       81.61
18            -9944.9996      (Bf)           1.0
[非球面数据]
表面数＝5
k＝-2.5765
C4＝+1.1581×10-3
C6＝-9.5500×10-6
C8＝+2.2307×10-8
C10＝+4.0283×10-9
表面数＝15
k＝8.1170
C4＝+7.3841×10-4
C6＝+3.9143×10-4
C8＝-1.0685×10-5
C10＝-3.0515×10-8
表面数＝16
k＝-9.0000
C4＝+7.9978×10-4
C6＝+4.2205×10-4
C8＝-1.0964×10-5
C10＝+1.0713×10-6
[可变距离数据]
                广角端           中等焦距            远摄端
f               6.3854           14.3998             27.1599
D3              0.7000           10.3807             17.4976
D9              12.6680          3.6276              0.5852
D16             6.2413           11.1178             21.0512
BF              6.0304           7.7015              6.0299
[条件表达式的值]
f2＝-9.6564
(8)Da/fw＝0.79
(9)Δ1/(fw·ft)1/2＝1.48
(10)D23/|f2|＝0.12
(11)D1/R1＝0.60
(fw2/(fw2+ymax 2))1/2＝0.81
图3A、3B和3C是根据本发明第二实施例的实例5的变焦透镜系统在广角端态(f＝6.39)、中等焦距态(f＝14.40)和远摄端态(f＝27.16)下聚焦于无限远时的各种象差曲线。
从各个曲线中显见，作为各种象差得到良好校正的结果，根据实例5的变焦透镜系统表现出优良的光学性能。
<实例6>
图4是根据本发明第二实施例实例6的变焦透镜系统的透镜分布简图。
在根据实例6的变焦透镜系统中，第一透镜组G1由一个胶合透镜组成，该胶合透镜从物侧起由一个具有面朝物侧的凸面的负弯月透镜L11与具有面朝物侧的凸面的正透镜L12胶合而成。
第二透镜组G2从物侧起由一个具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L21、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L22和具有面朝物体的凸面的正透镜元件L23组成。
第三透镜组G3从物侧起由双凸正透镜元件L31、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L32和具有面朝象侧的凸面的正透镜元件L33组成。
第四透镜组G4由具有面朝物体的凸面的正透镜元件L41组成。
在根据实例6的变焦透镜系统中，孔径光阑S布置在第三透镜组G3的物侧，并当改变透镜组的位置状态时与第三透镜组G3一起移动。
与实例6有关的各种值列于表6。
表6
[主要参数]
                  广角端           中等焦距           远摄端
f＝               6.70              14.60             27.13
FNO＝             2.88              3.84              4.78
2ω＝             72.72°                        35.08°                         19.27°
[透镜数据]
               r                 d               n                 v
1            38.2542           0.900           1.84666           23.78
2            26.4710           2.500           1.77250           49.61
3            155.9562          (D3)            1.0
4            36.3311           1.000           1.79450           45.40
5            7.7749            2.650           1.0
6           -76.4394           0.700           1.75500           52.32
7            12.5365           1.650           1.0
8            14.2461           1.800           1.84666           23.78
9               101.9364          (D9)            1.0
10              0.0000            1.700           1.0         孔径光阑S
11              5.9506            2.150           1.72916     54.66
12             -121.3146          1.000           1.0
13             -25.5408           0.650           1.80809     22.76
14              11.8809           0.500           1.0
15             -19.0549           0.900           1.69350     53.22
16             -11.2921           (D16)           1.0
17              23.5288           1.350           1.75500     52.32
18              0.0000            (Bf)            1.0
[非球面数据]
表面数＝5
k＝-3.3630
C4＝+1.0617×10-3
C6＝-1.6626×10-5
C8＝+3.2651×10-7
C10＝-2.2032×10-9
表面数＝15
k＝11.0000
C4＝-3.1648×10-4
C6＝+1.0222×10-4
C8＝+1.7755×10-5
C10＝-9.2894×10-7
表面数＝16
k＝-1.4398
C4＝+5.8112×10-4
C6＝+1.2537×10-4
C8＝+1.3154×10-5
C10＝-1.7033×10-7
[可变距离数据]
               广角端            中等焦距           远摄端
f              6.6999            14.5999            27.1315
D3             0.7000            11.3350            21.4250
D9             16.0590           5.7222             0.9432
D16            8.0203            14.0854            20.0819
BF             6.0303            6.0303             6.0300
[条件表达式的值]
f2＝-11.2610
(8)Da/fw＝0.78
(9)Δ1/(fw·ft)1/2＝1.31
(10)D23/|f2|＝0.15
(11)D1/R1＝0.73
(fw2/(fw2+ymax 2))1/2＝0.82
图5A、5B和5C是根据本发明第二实施例的实例6的变焦透镜系统在广角端态(f＝6.70)、中等焦距态(f＝14.60)和远摄端态(f＝27.13)下聚焦于无限远时的各种象差曲线。
从各个曲线中显见，作为各种象差得到良好校正的结果，根据实例6的变焦透镜系统表现出优良的光学性能。
<实例7>
图6是根据本发明第二实施例实例7的变焦透镜系统的透镜分布简图。
在根据实例7的变焦透镜系统中，第一透镜组G1由一个胶合透镜组成，该胶合透镜从物侧起由一个具有面朝物侧的凸面的负弯月透镜L11与具有面朝物侧的凸面的正透镜L12胶合而成。
第二透镜组G2从物侧起由一个具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L21、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L22和具有面朝物体的凸面的正透镜元件L23组成。
第三透镜组G3从物侧起由双凸正透镜元件L31、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L32和具有面朝象侧的凸面的正透镜元件L33组成。
第四透镜组G4由具有面朝物体的凸面的正透镜元件L41组成。
在根据实例7的变焦透镜系统中，孔径光阑S布置在第三透镜组G3的物侧，并当改变透镜组的位置状态时与第三透镜组G3一起移动。
与实例7有关的各种值列于表7。
表7
[主要参数]
               广角端         中等焦距           远摄端
f＝            7.20            15.00             27.13
FNO＝          2.88            3.60              4.70
2ω＝          68.77°                    34.24°                         19.13°
[透镜数据]
               r               d                 n               v
1            39.0896          0.900            1.84666          23.78
2            26.1740          2.400            1.75500          52.32
3            847.0754         (D3)             1.0
4            29.8433          1.000            1.79450          45.40
5            6.2925           2.350            1.0
6           -26.6454          0.700            1.77250          49.61
7            17.2580          0.750            1.0
8            13.0478          1.700            1.84666          23.78
9              7831.4595          (D9)           1.0
10             0.0000             1.700          1.0          孔径光阑S
11             5.3972             2.250          1.75500      52.32
12            -53.8427            0.450          1.0
13            -42.8393            0.650          1.80809      22.76
14             8.9800             0.550          1.0
15            -17.4827            0.900          1.79450      45.40
16            -14.0668            (D16)          1.0
17             16.6627            1.700          1.60300      65.47
18            -9944.9996          (Bf)           1.0
[非球面数据]
表面数＝5
k＝-2.1043
C4＝+1.4570×10-3
C6＝-8.7419×10-6
C8＝+4.6555×10-8
C10＝+9.7870×10-9
表面数＝15
k＝4.5475
C4＝-5.7196×10-4
C6＝+1.7009×10-4
C8＝+1.6752×10-5
C10＝-1.2084×10-6
表面数＝16
k＝-8.0776
C4＝+5.4710×10-4
C6＝+2.2019×10-4
C8＝+1.1611×10-5
C10＝+1.1219×10-7
[可变距离数据]
              广角端               中等焦距            远摄端
f             7.2028               14.9999             27.1330
D3            0.7000               10.2814             17.8673
D9            11.8980              3.6587              0.8000
D16           7.6709               11.1235             19.7736
BF            6.0304               7.0303               6.0302
[条件表达式的值]
f2＝-10.162
(8)Da/fw＝0.67
(9)Δ1/(fw·ft)1/2＝1.30
(10)D23/|f2|＝0.07
(11)D1/R1＝0.57
(fw2/(fw2+ymax 2))1/2＝0.84
图7A、7B和7C是根据本发明第二实施例的实例7的变焦透镜系统在广角端态(f＝7.20)、中等焦距态(f＝15.00)和远摄端态(f＝27.13)下聚焦于无限远时的各种象差曲线。
从各个曲线中显见，作为各种象差得到良好校正的结果，根据实例7的变焦透镜系统表现出优良的光学性能。
<实例8>
图8是根据本发明第二实施例的实例8的变焦透镜系统的透镜分布简图。
在根据实例8的变焦透镜系统中，第一透镜组G1由一个胶合透镜组成，该胶合透镜从物侧起由一个具有面朝物侧的凸面的负弯月透镜L11与具有面朝物侧的凸面的正透镜L12胶合而成。
第二透镜组G2从物侧起由一个具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L21、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L22和具有面朝物体的凸面的正透镜元件L23组成。
第三透镜组G3从物侧起由双凸正透镜元件L31、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L32和具有面朝象侧的凸面的正透镜元件L33组成。
第四透镜组G4由具有面朝物体的凸面的正透镜元件L41组成。
在根据实例8的变焦透镜系统中，玻璃块B布置在第四透镜组G4和象平面I之间。玻璃块B具有低通滤光片的功能以去除高于布置在象平面I上的成像装置分辨率限度的空间频率，并具有盖片玻璃的作用以保护成像装置。在第三透镜组G3的物侧布置一个孔径光阑S，当改变透镜组的位置状态时孔径光阑S与第三透镜组G3一起移动。
与实例8有关的各种值列于表8。
表8
[主要参数]
                广角端           中等焦距           远摄端
f＝              6.45             15.00             24.30
FNO＝            2.88             3.75              4.50
2ω＝            74.84°                      34.56°                         21.72°
[透镜数据]
               r              d             n               v
1            35.5670        0.900         1.84666          23.78
2            25.2949        3.000         1.81600          46.63
3            81.7907        (D3)          1.0
4            55.7736        0.950         1.69350          53.22
5            9.0909         4.000         1.0
6            -17.9746           0.800         1.65160           58.54
7             11.2326           1.650         1.0
8             16.8117           2.600         1.80610           33.27
9            -58.3068           (D9)          1.0
10            0.0000            0.500         1.0               孔径光阑S
11            5.6321            2.700         1.49700           81.61
12           -25.0030           1.700         1.0
13           -10.2813           0.800         1.84666           23.83
14           -38.8327           0.650         1.0
15           -6.3119            1.150         1.58913           61.18
16           -6.0000            (D16)         1.0
17            25.0008           1.500         1.60300           65.47
18            0.0000            (D18)         1.0
19            0.0000            3.260         1.51633           64.14玻璃块
20            0.0000            (Bf)          1.0
[非球面数据]
表面数＝4
k＝11.0000
C4＝+8.6165×10-5
C6＝-5.7772×10-7
C8＝+4.8229×10-9
C10＝+1.9002×10-12
表面数＝15
k＝2.5931
C4＝-4.2473×10-4
C6＝+8.0084×10-5
C8＝+2.0467×10-5
C10＝-5.5844×10-7
表面数＝16
k＝1.0000
C4＝+2.4812×10-4
C6＝+8.0084×10-5
C8＝+1.4345×10-5
C10＝-3.5453×10-7
[可变距离数据]
                  广角端             中等焦距             远摄端
f                 6.4500             15.0000              24.2971
D3                0.7000             13.6869              20.2971
D9                21.5550            7.2060               1.9990
D16               8.5440             14.5889              19.8175
D18               1.0000             1.0000               1.0000
BF                2.4410             2.4410               2.4410
[条件表达式的值]
f2＝-12.086
(8)∑3/fw＝1.09
(9)Δ1/(fw·ft)1/2＝0.90
(10)D23/|f2|＝0.14
(11)D1/R1＝1.02
(fw2/(fw2+ymax 2))1/2＝0.81
图9A、9B和9C是根据本发明实例8的变焦透镜系统在广角端态(f＝6.50)、中等焦距态(f＝15.00)和远摄端态(f＝24.30)下聚焦于无限远时的各种象差曲线。
从各个曲线中显见，作为各种象差得到良好校正的结果，根据实例8的变焦透镜系统表现出优良的光学性能。
[第三实施例]
根据本发明第三实施例的变焦透镜系统由四个透镜组组成，从物侧起依次是：具有正折射光焦度的第一透镜组，具有负折射光焦度的第二透镜组，具有正折射光焦度的第三透镜组和具有正折射光焦度的第四透镜组。孔径光阑布置在第三透镜组附近。当透镜组的位置状态从透镜系统的焦距成为最短的广角端态变到透镜系统的焦距成为最长的远摄端态时，至少第一透镜组和第三透镜组移向物体，使得第一透镜组和第二透镜组之间的距离增大，第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小，并且第三透镜组和第四透镜组之间的距离增大。
一般地，在具有多个透镜组的变焦透镜系统中，因为在改变透镜组的位置状态时活动透镜组的数量增多，所以可以满意地校正在改变透镜组的位置状态时产生的离轴象差的变化。因此，可以增大变焦比，该比值是远摄端态中透镜系统的焦距除以广角端态中透镜系统的焦距所得的值。
为了满意地校正在改变透镜组的位置状态时产生的离轴象差的变化，积极地移动每个透镜组很重要。为此目的，通过增大每个透镜组的移动量，可以主动地改变透过每个透镜组的离轴光线的高度，并且可以满意地校正离轴象差的变化。而且通过将至少一个活动透镜组布置在孔径光阑的象侧和物侧两侧，可以满意地校正高于主要光线的光线象差和低于主要光线的光线象差。
特别是，根据本发明第三实施例的变焦透镜系统满足下列条件A、B和C。
条件A：适当地设置改变透镜组的位置状态时第一透镜组的移动量。
条件B；改变透镜组的位置状态时第二透镜组首先移向象侧、再移向物侧。
条件C：适当地设置广角端态中第三透镜组和第四透镜组之间的距离。
在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，通过在将透镜组的位置状态从广角端态变为远摄端态时通过向物侧移动第一透镜组，穿过第一透镜组的离轴光线在广角端态不远离光轴，并且穿过第一透镜组的同轴光线在远摄端态强烈地会聚。通过这种方式组建透镜系统，第一透镜组的透镜直径可以很小，并且可以缩短远摄端态中透镜系统的总透镜长度。第一透镜组的移动量增加得越多，穿过第一透镜组的离轴光线离开光轴越远。因此，条件A对于第三实施例的变焦透镜系统很重要。
在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，第一透镜组和第二透镜组在广角端态下接近地设置，使得穿过第一透镜组的离轴光线离光轴不会很远。因此，可以抑制第一透镜组中离轴象差的产生，并且可以通过第二透镜组校正离轴象差。
而且在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，为了满意地抑制改变透镜组的位置状态时产生的离轴象差的变化，当透镜组的位置状态从广角端态变为远摄端态时，第一透镜组移向物侧，而第二透镜组首先移向象侧。因此，穿过第一透镜组的离轴光线远离光轴，因而可以校正离轴象差。
另外，在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，当透镜组的位置状态变为接近远摄端态时，如果第一透镜组和第二透镜组之间分开的距离很宽，则离轴光线将过度地离开光轴。因此，根据本发明第三实施例的变焦透镜系统构建成当透镜组的位置状态从广角端态变为远摄端态时，首先移向象侧的第二透镜组在状态接近远摄端态时移向物侧。因此，条件B对于本发明第三实施例的变焦透镜系统很重要。
而且在利用成像装置记录主题图像的相机中，透镜系统出射光瞳的位置有限制。因此，在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，为了在广角端态中保持出射光瞳的位置远离成像装置，特别是当入射到透镜系统的光线的入射角变大时，使第三透镜组和第四透镜组之间的距离变大。因此，条件C对于本发明第三实施例的变焦透镜系统很重要。
利用上述结构，本发明第三实施例的变焦透镜系统能够实现光学性能的改进、紧凑性以及高的变焦比。因此，通过成像装置的集成度以及相机的便携性的提高，可以满足变焦透镜系统所需的紧凑性以及光学性能的提高。
下面解释本发明第三实施例的变焦透镜系统的条件表达式。
在本发明第三实施例的变焦透镜系统中，满足下列条件表达式(12)和(13)：
0.15＜Δ1/(Z·(fw·ft)1/2)＜0.5    (12)
0.6＜D34W/fw＜1.7          (13)
此处Δ1表示透镜组的位置状态从广角端态变到远摄端态时第一透镜组的移动量，fw表示广角端态中变焦透镜系统的焦距，ft表示远摄端态中变焦透镜系统的焦距，Z表示变焦比(ft/fw)，并且D34W表示广角端态中第三透镜组和第四透镜组之间沿光轴的距离。
该条件表达式限定了第一透镜组移动量的适当范围，并且从数值上具体地限定了上述条件A。
当比例Δ1/(Z·(fw·ft)1/2)等于或超过条件表达式(12)的上限时，穿过第一透镜组的离轴光线较远地离开光轴。因此，透镜直径不能变得足够小。另一方面，当比例等于或落在条件表达式(12)的下限以下时，广角端态中总透镜长度变大。因此，穿过第一和第二透镜组的离轴光线在广角端态中远离光轴，使得透镜直径不能做得足够小。顺便说一下，当远摄端态中总透镜长度变短时，第一透镜组的会聚效果必然很强。
条件表达式(13)定义了广角端态中第三透镜组和第四透镜组之间沿光轴的距离的适当范围。
当比例D34W/fw等于或超过条件表达式(13)的上限时，透镜系统的总透镜长度变大，所以不能使透镜系统做得充分地紧凑。另一方面，当该比例等于或落在条件表达式(13)的下限以下时，在广角端态中出射光瞳的位置太接近成像装置。
在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，当条件表达式(13)的比例D34W/fw变小时，组成第三透镜组的每个透镜组的折射光焦度趋于变大。因此，为了在批量制造时保持光学质量的稳定性，最好将条件表达式(13)的下限设置为0.7。
在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，为了满意地校正透镜组位置状态改变时产生的各种象差的变化，最好满足上述条件A、B和C，并且另外最好满足下列条件D和E。
条件D：应该适当地设置第二透镜组和第三透镜组之间的距离。
条件E：应该适当地设置改变透镜组的位置状态时第三透镜组的移动量。
在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，第一透镜组和第二透镜组在广角端态中总的具有负折射光焦度，使得发散的光束被第三透镜组会聚。因此，当第二透镜组和第三透镜组之间的距离变得太宽时，入射到第三透镜组的同轴光束扩展，使得产生较大的负球差。另一方面，当第二透镜组和第三透镜组之间的距离变得太近时，穿过第二透镜组的离轴光线接近光轴，使得在改变视角时产生的离轴象差的变化不能得到满意地校正。因此，为了满意地校正在广角端态中的离轴象差，条件D对于本发明第三实施例的变焦透镜系统很重要。
在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，第二透镜组和第三透镜组之间的距离加宽，并且同时适当地设置第三透镜组的移动量。
为了会聚被第二透镜组发散的光束，第三透镜组具有很强的正折射光焦度。因此，当第三透镜组的移动量变大时，改变透镜组的位置状态时第三透镜组的使用放大率很大地改变。因此，很难满意地校正改变透镜组的位置状态时产生的负球差。因而在本发明第三实施例的变焦透镜系统中，条件E对于无论透镜组的位置状态如何、在图像帧的中心实现良好的光学性能很重要。
在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，为了协调地满足上述条件D和E，最好满足下列条件表达式(14)：
0.7＜D23W/Δ3＜2.5       (14)
此处D23W表示广角端态中第二透镜组和第三透镜组之间沿光轴的距离，Δ3表示透镜组的位置状态从广角端态变为远摄端态时第三透镜组的移动量。
条件表达式(14)定义了在广角端态下第二透镜组和第三透镜组之间沿光轴的距离与在透镜组的位置状态从广角端态变为远摄端态时第三透镜组的移动量之比的适当范围，并且还定义了在改变透镜组的位置状态时第二透镜组的使用放大率的变化与第三透镜组的使用放大率的变化之比的适当范围。
当比例D23W/Δ3等于或超过条件表达式(14)的上限时，改变透镜组的位置状态时第二透镜组的使用放大率的变化变大。
在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，第二透镜组只是负透镜组并具有很大的折射光焦度。当透镜组的位置状态从广角端态变为远摄端态时，穿过第二透镜组的离轴光线变化很大。因此，当第二透镜组的使用放大率在改变透镜组的位置状态时变化很大时，在改变透镜组的位置状态时产生的离轴象差的变化也变大，使得不能够实现很好的光学性能。
另一方面，当该比例等于或落在条件表达式(14)的下限以下时，在改变透镜组的位置状态时第三透镜组的使用放大率的变化变大。如上所述，当第三透镜组的使用放大率变化很大时，改变使用放大率时产生的负球差的变化也变大，使得不能够实现很好的光学性能。
在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，为了平衡紧凑性和良好的光学性能，在靠近第三透镜组的物侧布置孔径光阑并在透镜组的位置状态改变时孔径光阑与第三透镜组一起移动，并且最好满足下列条件表达式(15)：
0.7＜∑3/fw＜1.5       (15)
此处∑3表示孔径光阑和第三透镜组中最靠象侧的透镜表面之间沿光轴的距离。
为了满意地校正在改变透镜组的位置状态时产生的离轴象差的变化，最好在透镜系统的中心位置布置一个孔径光阑。为此，在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，将孔径光阑布置在第二透镜组和第三透镜组之间，并如上所述地与第三透镜组作为一体地一起移动。因此，在改变透镜组的位置状态时穿过第一、第二和第四透镜组的离轴光线的高度积极地变化。与此同时，穿过正折射光焦度较大的第三透镜组的离轴光线的高度没有显著地变化。因此，根据本发明第三实施例的变焦透镜系统可以充分地校正球差。
条件表达式(15)定义了第三透镜组透镜厚度的适当范围。当比例∑3/fw等于或超过条件表达式(15)的上限时，便携性的提高受到损失。至于试图提高便携性的相机，频繁地使用所谓的可伸缩式透镜筒，在携带时该镜筒可装在机身中、在使用时可拉出。在此情况下，为了使相机小型化，不可避免地要缩窄每个透镜组的厚度。但是，当第三透镜组的厚度变大到超过条件表达式(15)的上限时，携带时透镜厚度变得太大，以致于不能实现紧凑性。
另一方面，当该比例等于或落在条件表达式(15)的下限以下时，不能很好地校正在广角端态下视角变化时产生的彗差变化。
在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，为了进一步提高紧凑性和很好的光学性能，第二透镜组包括布置得最靠物侧的负透镜元件和至少一个布置在负透镜元件象侧的正透镜元件，并且最好满足下列条件表达式(16)：
0.8＜∑2/fw＜1.8      (16)
此处∑2表示第二透镜组的最靠物侧透镜表面与最靠象侧透镜表面之间沿光轴的距离。
在本发明第三实施例的变焦透镜系统中，为了减小透镜之间，最好使负透镜元件存在于第二透镜组的最靠物侧。在本发明第三实施例的变焦透镜系统中，为了尽可能地将第二透镜组的主点移向物侧并充分地确保在广角端态中的后焦距，至少使一个正透镜元件存在于负透镜元件的象侧。而且在本发明第三实施例的变焦透镜系统中，为了满足条件表达式(16)，最好适当地设置第二透镜组最靠物侧的透镜表面与最靠象侧的透镜表面之间沿光轴的距离。
当比例∑2/fw等于或超过条件表达式(16)的上限以上时，穿过第一透镜组的离轴光线离开光轴很远。因此，不能实现透镜直径的紧凑性。另一方面，当该比例等于或落在条件表达式(16)的下限以下时，穿过第二透镜组的离轴光线与同轴光线的高度差变小。因此，可以很好地校正改变视角时产生的彗差变化。
在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，为了通过利用尽可能少的透镜元件实现很好的光学性能并同时实现透镜系统的紧凑性，最好如上所述地组建第二透镜组和第三透镜组。
最好第二透镜组由三个透镜元件组成，从物侧起它们是：具有面朝象侧的凹面的第一负透镜元件，具有面朝象侧的凹面的第二负透镜元件，和具有面朝物侧的凸面的正透镜元件。最好每个透镜元件布置成在相邻的元件之间设有一个空气间隔。利用此布局，第二透镜组能够使第一负透镜元件主要校正广角端态下产生的离轴象差，第二透镜元件和正透镜元件主要校正同轴象差。因此，本发明第三实施例的变焦透镜系统通过将象差校正功能分给第二透镜组中的每个透镜元件从而可以简化其结构。
而且在本发明第三实施例的变焦透镜系统中，具有上述透镜结构的第二透镜组最好满足下列条件表达式(17)：
1＜f2P/|f2|＜2       (17)
此处，f2P表示第二透镜组中正透镜元件的焦距，f2表示第二透镜组的焦距。
条件表达式(17)定义了第二透镜组中正透镜元件焦距的适当范围。
当比例f2P/|f2|等于或超过条件表达式(17)的上限时，组成第二透镜组的每个透镜元件的折射率变小。因此，穿过第二透镜组的离轴光线远离光轴，使得很难进一步减小透镜系统的直径。另一方面，当该比例等于或落在条件表达式(17)的下限以下时，组成第二透镜组的每个透镜元件的折射率变大。因此，很难满意地校正改变透镜组的位置状态时产生的彗差变化。
然后，最好第三透镜组从物侧起由一个具有面朝物侧的凸面的正透镜元件和具有面朝象侧的凹面的负透镜元件组成。在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，因为负透镜元件不布置在象平面的附近，所以趋于产生负畸变。因此，通过将负透镜元件布置到正透镜元件的象侧，整个透镜系统的光焦度分布接近对称透镜型。由此可以很好地校正负畸变。
在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，具有上述结构的第三透镜组最好满足下列条件表达式(18)：
0.6＜|f3N|/f3＜1.4     (18)
此处f3N表示第三透镜组的焦距，f3表示第三透镜组的焦距。
条件表达式(18)定义了第三透镜组负透镜元件的焦距的适当范围。
当比例|f3N|/f3等于或超过条件表达式(18)的上限时，广角端态中产生的负畸变变得不可能很好地校正。另一方面，当该比例等于或落在条件表达式(18)的下限以下时，第三透镜组每个透镜元件的折射率变大。因此，由于微小的偏心而严重地降低了光学性能，使得很难在制造时保持光学质量。
在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，可以通过应用一个非球面透镜元件来获得较高的光学性能。
特别是，通过使布置在最靠物侧的负透镜元件的至少一个表面为非球面，可以满意地校正广角端态中产生的离轴象差。而且当负透镜元件的两个表面做成非球面时，可以实现更高的光学性能。
特别是通过将第三透镜组的至少一个表面构造成非球面，可以很好地校正广角端态中图像帧周边产生的彗差。另外，最好在透镜系统中应用多个非球面，使得可以实现更好的光学性能。
在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，为了实现紧凑性，使透镜元件的数量尽可能地少。但是，例如可以通过用一个胶合透镜构成组成第三透镜组的三个透镜元件中的至少一个透镜元件而实现更好的光学性能。可以通过用一个胶合透镜构成组成第二透镜组的透镜元件中的至少一个透镜元件实现更好的光学性能。
在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，通过基本上垂直于光轴地平移组成透镜系统的透镜组的其中一个整个的透镜组或透镜组的一部分，可以平移图像。因此，根据本发明第三实施例的变焦透镜系统可以用作一种与用于探测相机震动的震动探测器、用于平移上述一个透镜组或透镜组的一部分以及用于控制驱动器以校正由震动探测器探测到的震动的控制器组合的震动减少光学系统。
在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，可以适当地抑制在聚焦近物时第二透镜组至第四透镜组向物体移动时各种象差的变化。特别是，在下列实例中，虽然第四透镜组由正透镜元件组成，但为了校正聚焦近物时产生的离轴象差的变化，第四透镜组可以由胶合透镜构成。
在根据本发明第三实施例的变焦透镜系统中，为了防止在透镜系统的象侧产生莫尔图案，可以根据探测器的频率特性布置一个低通滤光片或红外截止滤光片。
根据本发明第三实施例的变焦透镜系统可以应用到所谓的变焦透镜，这种透镜的焦距状态不连续地存在。
图1是根据本发明每个实例的变焦透镜系统的光焦度分布简图，其中W表示广角端态，T表示远摄端态。
根据本发明第三实施例每个实例的变焦透镜系统从物侧起由具有正折射光焦度的第一透镜组G1、具有负折射光焦度的第二透镜组G2、具有正折射光焦度的第三透镜组G3和具有正折射光焦度的第四透镜组G4组成。当透镜组的位置状态从广角端态变到远摄端态时，第一透镜组G1和第三透镜组G3移向物体，使得第一透镜组G1和第二透镜组G2之间的距离增大，第二透镜组G2和第三透镜组G3之间的距离减小，并且第三透镜组G3和第四透镜组G4之间的距离增大。此时第二透镜组G2首先移向象侧并再移向物侧。第四透镜组G4首先移向物侧并再移向象侧。
顺便说一下，第三实施例的各个实例9～12分别与实例1～4相同。
<实例9>
图2是根据本发明第三实施例的实例9的变焦透镜系统的透镜分布简图。
在根据实例9的变焦透镜系统中，第一透镜组G1由一个胶合透镜组成，该胶合透镜从物侧起由一个具有面朝物侧的凸面的负弯月透镜L11与具有面朝物侧的凸面的正透镜L12胶合而成。
第二透镜组G2从物侧起由一个具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L21、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L22和具有面朝物体的凸面的正透镜元件L23组成。
第三透镜组G3从物侧起由双凸正透镜元件L31、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L32和具有面朝象侧的凸面的正透镜元件L33组成。
第四透镜组G4由具有面朝物体的凸面的正透镜元件L41组成。
在根据实例9的变焦透镜系统中，孔径光阑S布置在第三透镜组G3的物侧，并当改变透镜组的位置状态时与第三透镜组G3一起移动。
与实例9有关的各种值列于表9。
表9
[主要参数]
                     广角端           中等焦距          远摄端
f＝                  6.39              14.40             27.16
FNO＝                2.88              4.07              4.57
2ω＝                75.21°                        35.49°                         19.12°
[透镜数据]
                 r               d                 n             v
1              40.2543          0.900           1.84666         23.78
2              26.0490          2.800           1.75500         52.32
3             -1909.4996        (D3)            1.0
4              37.9055          1.000           1.79450         45.40
5              7.0398           2.450           1.0
6             -61.1984          0.700           1.77250         49.61
7              10.3694          1.200           1.0
8              11.9637          1.800           1.84666         23.78
9              134.7168         (D9)            1.0
10             0.0000           2.000           1.0             孔径光阑S
11             5.3928           2.250           1.72916         54.66
12            -42.5477          0.800           1.0
13            -16.5589          0.650           1.80809         22.76
14             13.3606          0.450           1.0
15                -12.4508           0.900           1.79450       45.40
16                -11.0987           (D16)           1.0
17                 12.3487           2.300           1.49700       81.61
18                -9944.9996         (Bf)            1.0
[非球面数据]
表面数＝5
k＝-2.5765
C4＝+1.1581×10-3
C6＝-9.5500×10-6
C8＝+2.2307×10-8
C10＝+4.0283×10-9
表面数＝15
k＝8.1170
C4＝+7.3841×10-4
C6＝+3.9143×10-4
C8＝-1.0685×10-5
C10＝-3.0515×10-8
表面数＝16
k＝-9.0000
C4＝+7.9978×10-4
C6＝+4.2205×10-4
C8＝-1.0964×10-5
C10＝+1.0713×10-6
[可变距离数据]
                        广角端             中等焦距           远摄端
f                       6.3854              14.3998            27.1599
D3                      0.7000              10.3807            17.4976
D9                      12.6680             3.6276             0.5852
D16                     6.2413              11.1178            21.0512
BF                      6.0304              7.7015             6.0299
[条件表达式的值]
f2P＝+15.4040
f2＝-9.6564
f3N＝-9.0625
f3＝+12.7420
(12)Δ1/(Z·(fw·ft)1/2)＝0.349
(13)D34W/fw＝0.978
(14)D23W/Δ3＝0.990
(15)∑3/fw＝1.104
(16)∑2/fw＝1.120
(17)f2P/|f2|＝1.595
(18)|f3N|/f3＝0.771
图3A、3B和3C是根据本发明第三实施例的实例9的变焦透镜系统在广角端态(f＝6.39)、中等焦距态(f＝14.40)和远摄端态(f＝27.16)下聚焦于无限远时的各种象差曲线。
从各个曲线中显见，作为各种象差得到良好校正的结果，根据实例9的变焦透镜系统表现出优良的光学性能。
<实例10>
图4是根据本发明第三实施例的实例10的变焦透镜系统的透镜分布简图。
在根据实例10的变焦透镜系统中，第一透镜组G1由一个胶合透镜组成，该胶合透镜从物侧起由一个具有面朝物侧的凸面的负弯月透镜L11与具有面朝物侧的凸面的正透镜L12胶合而成。
第二透镜组G2从物侧起由一个具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L21、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L22和具有面朝物体的凸面的正透镜元件L23组成。
第三透镜组G3从物侧起由双凸正透镜元件L31、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L32和具有面朝象侧的凸面的正透镜元件L33组成。
第四透镜组G4由具有面朝物体的凸面的正透镜元件L41组成。
在根据实例10的变焦透镜系统中，孔径光阑S布置在第三透镜组G3的物侧，并当改变透镜组的位置状态时与第三透镜组G3一起移动。
与实例10有关的各种值列于表10。
表10
[主要参数]
                  广角端             中等焦距             远摄端
f＝               6.70                14.60                27.13
FNO＝             2.88                3.84                 4.78
2ω＝             72.72°                            35.08°                              19.27°
[透镜数据]
                 r                  d                 n             v
1              38.2542            0.900            1.84666        23.78
2              26.4710            2.500            1.77250        49.61
3              155.9562           (D3)             1.0
4              36.3311            1.000            1.79450        45.40
5              7.7749             2.650            1.0
6             -76.4394            0.700            1.75500        52.32
7              12.5365            1.650            1.0
8              14.2461            1.800            1.84666        23.78
9            101.9364          (D9)           1.0
10           0.0000            1.700          1.0             孔径光阑S
11           5.9506            2.150          1.72916           54.66
12          -121.3146          1.000          1.0
13          -25.5408           0.650          1.80809           22.76
14           11.8809           0.500          1.0
15          -19.0549           0.900          1.69350           53.22
16          -11.2921           (D16)          1.0
17           23.5288           1.350          1.75500           52.32
18           0.0000            (Bf)           1.0
[非球面数据]
表面数＝5
k＝-3.3630
C4＝+1.0617×10-3
C6＝-1.6626×10-5
C8＝+3.2651×10-7
C10＝-2.2032×10-9
表面数＝15
k＝11.0000
C4＝-3.1648×10-4
C6＝+1.0222×10-4
C8＝+1.7755×10-5
C10＝-9.2894×10-7
表面数＝16
k＝-1.4398
C4＝+5.8112×10-4
C6＝+1.2537×10-4
C8＝+1.3154×10-5
C10＝-1.7033×10-7
[可变距离数据]
                广角端         中等焦距          远摄端
f               6.6999          14.5999          27.1315
D3              0.7000          11.3350          21.4250
D9              16.0590         5.7222           0.9432
D16             8.0203          14.0854          20.0819
BF              6.0303          6.0303           6.0300
[条件表达式的值]
f2P＝+19.3774
f2＝-11.261
f3N＝-9.9573
f3＝+13.6010
(12)Δ1/(Z·(fw·ft)1/2)＝0.324
(13)D34W/fw＝1.197
(14)D23W/Δ3＝1.472
(15)∑3/fw＝1.045
(16)∑2/fw＝1.164
(17)f2P/|f2|＝1.721
(18)|f3N|/f3＝0.732
图5A、5B和5C是根据本发明实例10的变焦透镜系统在广角端态(f＝6.70)、中等焦距态(f＝14.60)和远摄端态(f＝27.13)下聚焦于无限远时的各种象差曲线。
从各个曲线中显见，作为各种象差得到良好校正的结果，根据实例10的变焦透镜系统表现出优良的光学性能。
<实例11>
图6是根据本发明第三实施例的实例11的变焦透镜系统的透镜分布简图。
在根据实例11的变焦透镜系统中，第一透镜组G1由一个胶合透镜组成，该胶合透镜从物侧起由一个具有面朝物侧的凸面的负弯月透镜L11与具有面朝物侧的凸面的正透镜L12胶合而成。
第二透镜组G2从物侧起由一个具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L21、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L22和具有面朝物体的凸面的正透镜元件L23组成。
第三透镜组G3从物侧起由双凸正透镜元件L31、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L32和具有面朝象侧的凸面的正透镜元件L33组成。
第四透镜组G4由具有面朝物体的凸面的正透镜元件L41组成。
在根据实例11的变焦透镜系统中，孔径光阑S布置在第三透镜组G3的物侧，并当改变透镜组的位置状态时与第三透镜组G3一起移动。
与实例11有关的各种值列于表11。
表11
[主要参数]
                广角端           中等焦距            远摄端
f＝              7.20             15.00              27.13
FNO＝            2.88             3.60               4.70
2ω＝            68.77°                      34.24°                           19.13°
[透镜数据]
                   r              d             n             v
1                39.0896        0.900        1.84666        23.78
2                26.1740        2.400        1.75500        52.32
3           847.0754         (D3)          1.0
4           29.8433          1.000         1.79450          45.40
5           6.2925           2.350         1.0
6          -26.6454          0.700         1.77250          49.61
7           17.2580          0.750         1.0
8           13.0478          1.700         1.84666          23.78
9           7831.4595        (D9)          1.0
10          0.0000           1.700         1.0              孔径光阑S
11          5.3972           2.250         1.75500          52.32
12         -53.8427          0.450         1.0
13         -42.8393          0.650         1.80809          22.76
14          8.9800           0.550         1.0
15         -17.4827          0.900         1.79450          45.40
16         -14.0668          (D16)         1.0
17          16.6627          1.700         1.60300          65.47
18         -9944.9996        (Bf)          1.0
[非球面数据]
表面数＝5
k＝-2.1043
C4＝+1.4570×10-3
C6＝-8.7419×10-6
C8＝+4.6555×10-8
C10＝+9.7870×10-9
表面数＝15
k＝4.5475
C4＝-5.7196×10-4
C6＝+1.7009×10-4
C8＝+1.6752×10-5
C10＝-1.2084×10-6
表面数＝16
k＝-8.0776
C4＝+5.4710×10-4
C6＝+2.2019×10-4
C8＝+1.1611×10-5
C10＝+1.1219×10-7
[可变距离数据]
                   广角端              中等焦距           远摄端
f                  7.2028               14.9999           27.1330
D3                 0.7000               10.2814           17.8673
D9                 11.8980              3.6587            0.8000
D16                7.6709               11.1235           19.7736
BF                 6.0304               7.0303            6.0302
[条件表达式的值]
f2P＝+15.4351
f2＝-10.1618
f3N＝-9.1357
f3＝+12.5015
(12)Δ1/(Z·(fw·ft)1/2)＝0.345
(13)D34W/fw＝1.065
(14)D23W/Δ3＝1.124
(15)∑3/fw＝0.902
(16)∑2/fw＝0.902
(17)f2P/|f2|＝1.519
(18)|f3N|/f3＝0.731
图7A、7B和7C是根据本发明实例11的变焦透镜系统在广角端态(f＝7.20)、中等焦距态(f＝15.00)和远摄端态(f＝27.13)下聚焦于无限远时的各种象差曲线。
从各个曲线中显见，作为各种象差得到良好校正的结果，根据实例11的变焦透镜系统表现出优良的光学性能。
<实例12>
图8是根据本发明第三实施例的实例12的变焦透镜系统的透镜分布简图。
在根据实例12的变焦透镜系统中，第一透镜组G1由一个胶合透镜组成，该胶合透镜从物侧起由一个具有面朝物侧的凸面的负弯月透镜L11与具有面朝物侧的凸面的正透镜L12胶合而成。
第二透镜组G2从物侧起由一个具有面朝象侧的凹面的负透镜组L21、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L22和具有面朝物体的凸面的正透镜元件L23组成。
第三透镜组G3从物侧起由双凸正透镜元件L31、具有面朝象侧的凹面的负透镜元件L32和具有面朝象侧的凸面的正透镜元件L33组成。
第四透镜组G4由具有面朝物体的凸面的正透镜元件L41组成。
在根据实例12的变焦透镜系统中，玻璃块B布置在第四透镜组G4和象平面I之间。玻璃块B具有低通滤光片的功能以去除高于布置在象平面I上的成像装置分辨率限度的空间频率，并具有盖片玻璃的作用以保护成像装置。在第三透镜组G3的物侧布置一个孔径光阑S，当改变透镜组的位置状态时孔径光阑与第三透镜组G3一起移动。
与实例12有关的各种值列于表12。
表12
[主要参数]
               广角端             中等焦距            远摄端
f＝             6.45               15.00              24.30
FNO＝           2.88               3.75               4.50
2ω＝           74.84°                          34.56°                           21.72°
[透镜数据]
               r             d            n              v
1           35.5670        0.900       1.84666          23.78
2           25.2949        3.000       1.81600          46.63
3           81.7907        (D3)        1.0
4           55.7736        0.950       1.69350          53.22
5           9.0909         4.000       1.0
6          -17.9746        0.800       1.65160          58.54
7           11.2326        1.650       1.0
8           16.8117        2.600       1.80610          33.27
9          -58.3068        (D9)        1.0
10           0.0000        0.500       1.0              孔径光阑S
11           5.6321        2.700       1.49700          81.61
12          -25.0030       1.700       1.0
13          -10.2813       0.800       1.84666          23.83
14          -38.8327       0.650       1.0
15          -6.3119        1.150       1.58913          61.18
16          -6.0000        (D16)       1.0
17           25.0008       1.500       1.60300          65.47
18           0.0000        (D18)       1.0
19           0.0000        3.260       1.51633          64.14玻璃块
20           0.0000        (Bf)        1.0
[非球面数据]
表面数＝4
k＝11.0000
C4＝+8.6165×10-5
C6＝-5.7772×10-7
C8＝+4.8229×10-9
C10＝+1.9002×10-12
表面数＝15
k＝2.5931
C4＝-4.2473×10-4
C6＝+8.0084×10-5
C8＝+2.0467×10-5
C10＝-5.5844×10-7
表面数＝16
k＝1.0000
C4＝+2.4812×10-4
C6＝+8.0084×10-5
C8＝+1.4345×10-5
C10＝-3.5453×10-7
[可变距离数据]
                   广角端            中等焦距            远摄端
f                  6.4500            15.0000             24.2971
D3                 0.7000            13.6869             20.2971
D9                 21.5550           7.2060              1.9990
D16                8.5440            14.5889             19.8175
D18                1.0000            1.0000              1.0000
BF                 2.4410            2.4410              2.4410
[条件表达式的值]
f2P＝+16.4421
f2＝-12.0859
f3N＝-16.7312
f3＝+14.9978
(12)Δ1/(Z·(fw·ft)1/2)＝0.240
(13)D34W/fw＝1.325
(14)D23W/Δ3＝1.956
(15)∑3/fw＝1.163
(16)∑2/fw＝1.550
(17)f2P/|f2|＝1.360
(18)|f3N|/f3＝1.116
图9A、9B和9C是根据本发明实例12的变焦透镜系统在广角端态(f＝6.50)、中等焦距态(f＝15.00)和远摄端态(f＝24.30)下聚焦于无限远时的各种象差曲线。
从各个曲线中显见，作为各种象差得到良好校正的结果，根据实例12的变焦透镜系统表现出优良的光学性能。
如上所述，本发明的第一实施例使得可以提供一种能够实现紧凑的良好光学性能的变焦透镜系统。可以实现一种在广角端态具有较短的总透镜长度并且总透镜长度变化很小的变焦透镜系统。
本领域的技术人员很容易理解其它的优点和改型。因此，本发明的范围不限于在此展示并描述的具体细节和具有代表性的装置。在不脱离本发明由所附的权利要求及其等同物限定的实质和范围的前提下可以做各种改型。

Claims (28)

1.一种变焦透镜系统，包括四个透镜组，从物侧起依次是：
具有正折射光焦度的第一透镜组；
具有负折射光焦度的第二透镜组；
具有正折射光焦度的第三透镜组；和
具有正折射光焦度的第四透镜组；
当透镜组的位置状态从广角端态变到远摄端态时，至少第一透镜组和第三透镜组向物侧移动，使得
第一透镜组和第二透镜组之间的距离增大；
第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小；和
第三透镜组和第四透镜组之间的距离增大；
孔径光阑布置在第三透镜组附近；
第二透镜组由三个透镜元件组成，从物侧起它们依次是：
具有面朝物侧的凹面的第一负透镜元件；
具有面朝象侧的凹面的第二负透镜元件；和
具有面朝物侧的凸面的正透镜元件；和
满足下列条件表达式：
3＜(R24+R25)/fw＜5
此处，R24表示第二透镜组中第二负透镜元件象侧表面的曲率半径，R25表示第二透镜组中正透镜元件物侧表面的曲率半径，fw表示广角端态中变焦透镜系统的焦距。
2.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于第一负透镜元件和第二负透镜元件布置成在它们之间有一空气间隔；
第二负透镜元件和正透镜元件布置成在它们之间有一空气间隔；和
满足下列条件表达式：
0.7＜∑2/fw＜2.1
此处，∑2表示第二透镜组中最靠物侧的透镜表面和最靠象侧的透镜表面之间沿光轴的距离。
3.如权利要求2所述的变焦透镜系统，其特征在于第一负透镜元件具有面朝象侧的凹面的弯月形，并且满足下列条件表达式：
0.5＜R22/fw＜2
此处R22表示第二透镜组中第一负透镜元件的象侧表面的曲率半径。
4.如权利要求3所述的变焦透镜系统，其特征在于第三透镜组从物侧起包括：
位于最靠物侧的具有正折射光焦度的第一子透镜组；和
靠近第一子透镜组的具有负折射光焦度的第二子透镜组；和
第一子透镜组和第二子透镜组布置成在它们之间有一个空气间隔；和
满足下列条件表达式：
0.02＜D2/f3＜0.16
此处D2表示第三透镜组中第一子透镜组和第二子透镜组之间沿光轴的距离，并且f3表示第三透镜组的焦距。
5.如权利要求4所述的变焦透镜系统，其特征在于第一透镜组由一个具有面朝物侧的凸面的负弯月透镜与具有面朝物侧的凸面的正透镜胶合构成的胶合正透镜组成；并且满足下列条件表达式：
3＜R11/fw＜5
此处，R11表示第一透镜组中胶合正透镜的物侧表面的曲率半径。
6.如权利要求5所述的变焦透镜系统，其特征在于至少满足下列表达式之一：
3＜f1/(fw·ft)1/2＜7.5
0.6＜|f2|/(fw·ft)1/2＜1.1
此处f1表示第一透镜组的焦距，f2表示第二透镜组的焦距，ft表示远摄端态中变焦透镜系统的焦距。
7.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于第一负透镜元件具有面朝象侧的凹面的弯月形，并且满足下列条件表达式：
0.5＜R22/fw＜2
此处R22表示第二透镜组中第一负透镜元件的象侧表面的曲率半径。
8.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于第三透镜组从物侧起包括：
具有正折射光焦度的第一子透镜组；和
具有负折射光焦度的第二子透镜组；和
第一子透镜组和第二子透镜组布置成在它们之间有一个空气间隔；和
满足下列条件表达式：
0.02＜D2/f3＜0.16
此处D2表示第三透镜组中第一子透镜组和第二子透镜组之间沿光轴的距离，并且f3表示第三透镜组的焦距。
9.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于第一透镜组由一个具有面朝物侧的凸面的负弯月透镜与具有面朝物侧的凸面的正透镜胶合构成的胶合正透镜组成；并且满足下列条件表达式：
3＜R11/fw＜5
此处，R11表示第一透镜组中胶合正透镜的物侧表面的曲率半径。
10.如权利要求9所述的变焦透镜系统，其特征在于至少满足下列条件表达式之一：
3＜f1/(fw·ft)1/2＜7.5
0.6＜|f2|/(fw·ft)1/2  ＜1.1
此处f1表示第一透镜组的焦距，f2表示第二透镜组的焦距，ft表示远摄端态中变焦透镜系统的焦距。
11.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于至少满足下列条件表达式之一：
3＜f1/(fw·ft)1/2＜7.5
0.6＜|f2|/(fw·ft)1/2＜1.1
此处f1表示第一透镜组的焦距，f2表示第二透镜组的焦距，ft表示远摄端态中变焦透镜系统的焦距。
12.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于第三透镜组从物侧起包括：
位于最靠物侧的具有正折射光焦度的第一子透镜组；和
靠近第一子透镜组的具有负折射光焦度的第二子透镜组；和
第一子透镜组和第二子透镜组布置成在它们之间有一个空气间隔；和
满足下列条件表达式：
0.02＜D2/f3＜0.16
此处D2表示第三透镜组中第一子透镜组和第二子透镜组之间沿光轴的距离，并且f3表示第三透镜组的焦距。
13.一种变焦透镜系统，包括四个透镜组，从物侧起它们是：
具有正折射光焦度的第一透镜组；
具有负折射光焦度的第二透镜组；
具有正折射光焦度的第三透镜组；和
具有正折射光焦度的第四透镜组；
当透镜组的位置状态从广角端态变到远摄端态时，第一透镜组向物侧移动；使得
第一透镜组和第二透镜组之间的距离增大；
第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小；和
第三透镜组和第四透镜组之间的距离改变；
孔径光阑邻近第三透镜组物侧布置；
第三透镜组由三个透镜元件组成，从物侧起它们是正透镜元件、负透镜元件和正透镜元件：并且
满足下列条件表达式：
0.5＜Da/fw＜1.5
此处，Da表示第三透镜组中最靠物侧的透镜表面与最靠象侧的透镜表面之间沿光轴的距离，fw表示广角端态中变焦透镜系统的焦距。
14.如权利要求13所述的变焦透镜系统，其特征在于当透镜组位置的状态从广角端态变到远摄端态时，第一透镜组和第三透镜组移向物侧，使得第三透镜组和第四透镜组之间的距离增大，并且满足下列条件表达式：
1＜Δ1/(fw·ft)1/2＜2
此处Δ1表示透镜组位置状态从广角端态变为远摄端态时第一透镜组的移动量，并且ft表示远摄端态中变焦透镜系统的焦距。
15.如权利要求14所述的变焦透镜系统，其特征在于第二透镜组由三个透镜元件组成，从物侧起它们是：
具有面朝象侧的凹面的第一负透镜元件；
具有面朝象侧的凹面的第二负透镜元件；和
具有面朝物侧的凸面的正透镜元件；并且
满足下列条件表达式：
0.03＜D23/|f2|＜0.20
此处，D23表示第二透镜组中第二负透镜元件和正透镜元件之间的距离，并且f2表示第二透镜组的焦距。
16.如权利要求15所述的变焦透镜系统，其特征在于第一透镜组由一个胶合正透镜组成，该胶合正透镜通过一个具有面朝物侧的凸面的负弯月透镜与正透镜胶合而成，并且满足下列条件表达式：
D1/R1＜(fw2/(fw2+ymax 2)1/2
此处D1表示广角端态中第一透镜组最靠物侧的透镜表面与孔径光阑之间沿光轴的距离，R1表示第一透镜组中最靠物侧的透镜表面的曲率半径，ymax表示最大像高。
17.如权利要求13所述的变焦透镜系统，其特征在于第二透镜组由三个透镜元件组成，从物侧起它们是：
具有面朝象侧的凹面的第一负透镜元件；
具有面朝象侧的凹面的第二负透镜元件；和
具有面朝物侧的凸面的正透镜元件；并且
满足下列条件表达式：
0.03＜D23/|f2|＜0.20
此处，D23表示第二透镜组中第二负透镜元件和正透镜元件之间的距离，并且f2表示第二透镜组的焦距。
18.如权利要求13所述的变焦透镜系统，其特征在于第一透镜组由一个胶合正透镜组成，该胶合正透镜通过一个具有面朝物侧的凸面的负弯月透镜与正透镜胶合而成，并且满足下列条件表达式：
D1/R1＜(fw2/(fw2+ymax 2)1/2
此处D1表示广角端态中第一透镜组最靠物侧的透镜表面与孔径光阑之间沿光轴的距离，R1表示第一透镜组中最靠物侧的透镜表面的曲率半径，ymax表示最大像高。
19.一种变焦透镜系统，包括四个透镜组，从物侧起依次是：
具有正折射光焦度的第一透镜组；
具有负折射光焦度的第二透镜组；
具有正折射光焦度的第三透镜组；和
具有正折射光焦度的第四透镜组；
当透镜组的位置状态从广角端态变到远摄端态时，至少第一透镜组和第三透镜组向物侧移动，并且第二透镜组首先向象侧移动再向物侧移动；使得
第一透镜组和第二透镜组之间的距离增大；
第二透镜组和第三透镜组之间的距离减小；并且
第三透镜组和第四透镜组之间的距离增大；
孔径光阑布置在第三透镜组附近，当改变透镜组位置状态时孔径光阑随第三透镜组一起移动；并
满足下列条件表达式：
0.15＜Δ1/(Z·(fw·ft)1/2)＜0.5
0.6＜D34W/fw＜1.7
此处Δ1表示透镜组的位置状态从广角端态变到远摄端态时第一透镜组的移动量，fw表示广角端态中变焦透镜系统的焦距，ft表示远摄端态中变焦透镜系统的焦距，Z表示变焦比(ft/fw)，并且D34W表示在广角端态中第三透镜组和第四透镜组之间沿光轴的距离。
20.如权利要求19所述的变焦透镜系统，其特征在于满足下列条件表达式：
0.7＜D23W/Δ3＜2.5
此处D23W表示广角端态中第二透镜组和第三透镜组之间的距离，Δ3表示透镜组的位置状态从广角端态变为远摄端态时第三透镜组的移动量。
21.如权利要求20所述的变焦透镜系统，其特征在于孔径光阑布置在第三透镜组的物侧附近并满足下列条件表达式：
0.7＜∑3/fw＜1.5
此处∑3表示孔径光阑和第三透镜组中最靠象侧的透镜表面之间沿光轴的距离。
22.如权利要求21所述的变焦透镜系统，其特征在于第二透镜组包括：
一个位于最靠物侧的负透镜元件；和
位于负透镜元件象侧的至少一个正透镜元件；并且
满足下列条件表达式：
0.8＜∑2/fw＜1.8
此处∑2表示第二透镜组的最靠物侧透镜表面与最靠象侧透镜表面之间沿光轴的距离。
23.如权利要求22所述的变焦透镜系统，其特征在于第二透镜组由三个透镜元件组成，从物侧起它们是：
具有面朝象侧的凹面的负透镜元件；
具有面朝象侧的凹面的负透镜元件；和
具有面朝物侧的凸面的正透镜元件；
每个透镜元件彼此分开一个空气间隔；并且
满足下列条件表达式：
1＜f2P/|f2|＜2
此处，f2P表示第二透镜组中正透镜元件的焦距，f2表示第二透镜组的焦距。
24.如权利要求23所述的变焦透镜系统，其特征在于第三透镜组从物侧起包括：
具有面朝物侧的凸面的正透镜元件；和
具有面朝物侧的凹面的负透镜元件；并且
满足下列的条件表达式：
0.6＜|f3N|/f3＜1.4
此处f3N表示第三透镜组中负透镜元件的焦距，f3表示第三透镜组的焦距。
25.如权利要求19所述的变焦透镜系统，其特征在于孔径光阑布置在第三透镜组的物侧附近并满足下列条件表达式：
0.7＜∑3/fw＜1.5
此处∑3表示孔径光阑和第三透镜组中最靠象侧的透镜表面之间沿光轴的距离。
26.如权利要求19所述的变焦透镜系统，其特征在于第二透镜组包括：
一个位于最靠物侧的负透镜元件；和
位于负透镜元件象侧的至少一个正透镜元件；并且
满足下列条件表达式：
0.8＜∑2/fw＜1.8
此处∑2表示第二透镜组的最靠物侧透镜表面与最靠象侧透镜表面之间沿光轴的距离。
27.如权利要求19所述的变焦透镜系统，其特征在于第二透镜组由三个透镜元件组成，从物侧起它们是：
具有面朝象侧的凹面的负透镜元件；
具有面朝象侧的凹面的负透镜元件；和
具有面朝物侧的凸面的正透镜元件；
每个透镜元件彼此分开一个空气间隔；并且
满足下列条件表达式：
1＜f2P/|f2|＜2
此处，f2P表示第二透镜组中正透镜元件的焦距，f2表示第二透镜组的焦距。
28.如权利要求19所述的变焦透镜系统，其特征在于第三透镜组从物侧起包括：
具有面朝物侧的凸面的正透镜元件；和
具有面朝物侧的凹面的负透镜元件；并且
满足下列的条件表达式：
0.6＜|f3N|/f3＜1.4
此处f3N表示第三透镜组中负透镜元件的焦距，f3表示第三透镜组的焦距。
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